I n v

e s

t i c

e d

o r

o z

v o

j e

v z

d ě

l á

v á

n í

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

reg. č. CZ.1.07/2.2.00/07.0354

I n v

e s

t i c

e d

o r

o z

v o

j e

v z

d ě

l á

v á

n í

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

OBVSB/Obecná virologie

I n v

e s

t i c

e d

o r

o z

v o

j e

v z

d ě

l á

v á

n í

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

ViryOd struktury k funkci

Prof. RNDr. Milan Navrátil, CSc.

I n v

e s

t i c

e d

o r

o z

v o

j e

v z

d ě

l á

v á

n í

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Cílem je seznámit posluchače se strukturou a morfologií virové částice s důrazem

na její základní funkce

Klíčová slova: definice viru, virion, morfologie a anatomie virionu, chemické složení, funkce,

základy klasifikace

ROZMANITOST VIRŮ

ROZMANITOST VIRŮ

TŘI ETAPY VÝZKUMU VIROVÝCH CHOROB A VIRŮ

• projevy chorob

• objev infekční virové částice(D.J. Ivanovský, 1892; M.W. Beijerinck, 1887)

• využití metod rekombinantní DNA a genových manipulací ve virologii (1950/60)

• Kde jsou přirozená ohniska výskytu virů?

• Za jakých podmínek dochází k jejich šíření, vzniku epidemií?

• Jaký je vztah patogena a hostitele?

• Jak můžeme omezit negativní vliv působení virů?

• Viry jako genetický model

• Aplikace v molekulární biologii a biotechnologiích

PRAKTICKÉ ASPEKTY VIROLOGIE

HISTORIE VIROLOGIE

1500 př.n.l deformované dolní končetiny byly znázorněny naegyptských reliéfech znázorňujících postavy; možnépříznaky obrny vyvolané poliovirem

430 př.n.l. první zaznamenaná epidemie chřipky v Aténách1000 n.l. první epidemie pravých neštovic v Číně; využití variolace1200 n.l. popsán přenos vztekliny psem na člověka na územídnešního Iráku1300 n.l. horečnatá choroba, která vyvolala epidemii byla podle

astrologických poznatků nazvána chřipkou(influenza/influence)

1798 n.l. objev principu vakcinace (Edward Jenner)

1892 n.l. důkaz existence infekčních částic menších než bakterie (Dimitrij Ivanovskij)

1892 n.l důkaz existence infekčních částic menších než bakterie(M.W. Beijerinck)

1884 n.l. cílená vakcinace (Luis Pasteur)1911 n.l. viry nejsou pouze infekčními původci chorob, ale u

živočichů i člověka mohou rovněž vyvolat tvorbu nádorů Rous sarcoma virus (Peyton Rouse)

1918 n. l. celosvětová epidemie chřipky1920-1930 objev bakterifágů (Twort a d´Herell)1925 kultivace živočišných virů v tkáňové kultuře (Parker)

HISTORIE VIROLOGIE

1933 W.M. Stanley purifikoval TMV, virus je infekční enzym,N.W. Pirie a F.C. Bawden označili nukleovou kyselinu za základ virové částice

1939 použití transmisního elektronového mikroskopu k pozorování virů (Von Ardenne a Ruska)

1939 teorie o přírodních ohniscích virových nákaz (Pavlovskij)1941 aglutinace červených krvinek virem chřipky (Hirst)1946 objev genetické rekombinace bakteriofágů (Delbrűck a

Hershey)1952 plaková metoda (Dulbecco)

HISTORIE VIROLOGIE

1953 Hershey a Chase prokázali, že nukleová kyselina je nositelem genetické informace virů

1956 Fraenkel-Comtrat a R.C. Williams (současně A. Gierer a G. Schramm) prokázali infekčnost nukleové kyseliny viru mozaiky tabáku

1957 Isaac a J. Lindemann prokázali spojitost tvorby interferonu s virovou infekcí

1967 Kates a McAuslan prokázali přítomnost RNA polymerázy v purifikátu viru pravých neštovic

1967 Diener, objev viroidů; v roce 1971 použit termín viroid1968 Jakobson a Baltimore, translace genomické RNA

poliovirů

HISTORIE VIROLOGIE

1970 Howard Temin a David Baltimore objevili aktivitu reverzní transkriptázy retrovirů

1973 Jackson, Symons a Berg dokázali začlenit do DNA viru SV-40 geny fága lambda a galaktózový operon Escherichia coli

1977 poslední přirozený výskyt pravých neštovic1977 Sharp a Chow, objev RNA sestřihu při studiu replikace

adenovirů1979 S. Prusiner, objev prionů1982 výskyt AIDS1983 izolován původce AIDS, a to HIV-1 virus1983 publikována první úplná sekvence bakteriofága l (48 502

párů bází)1996 objev kompetentních povrchových receptorů pro vstup

HIV do buňky

HISTORIE VIROLOGIE

Viry jsou submikroskopičtí obligátní intrabuněčníparazité obsahující ve své nukleové kyseliněkomplex genetických informací nezbytných proreprodukci v hostitelských buňkách.

genomschopnost adaptacereprodukce …

virové funkce nejsou aktivované mimo buňkunejsou schopné uchovávat volnou energii

DEFINICE VIRU

STRUKTURA VIROVÉ ČÁSTICE

Fauquet et al (2005): Virus Taxonomy.

Fauquet et al (2005): Virus Taxonomy.

STRUKTURA VIROVÉ ČÁSTICE

Fauquet et al (2005): Virus Taxonomy.

STRUKTURA VIROVÉ ČÁSTICE

STRUKTURA VIROVÉ ČÁSTICE

VIRION je kompletní infekční virová částice.KAPSIDA (PROTEINOVÝ PLÁŠŤ) je proteinový obalvirové nukleové kyseliny skládající se ze strukturníchjednotek nebo kapsomer.STRUKTURNÍ JEDNOTKY (PROTOMERY) jsounejmenší funkční ekvivalenty stavebních jednotekproteinového pláště (molekuly proteinů).KAPSOMERY jsou morfologické jednotkypozorovatelné na povrhu částice a často jepředstavují shluky strukturních jednotek.Kapsida (proteinový plášť) společně s uzavřenounukleovou kyselinou představuje NUKLEOKAPSIDU.

STRUKTURA VIROVÉ ČÁSTICE

Virová nukleokapsida může být obalena vnějšímlipoproteinovým OBALEM (ENVELOPE), jehožzáklad pochází z hostitelské buňky, ale můžeobsahovat i materiál virového původu. Vnějšíobal se skládá z lipidové dvojvrstvy atransmembránových glykoproteinů, které tvořívýběžky na povrchu virionu.Vnitřní struktura virionu představuje JÁDRO VIRU(dřeň, shell), tvoří je obvykle nukleokapsid,případně vrstva virového membránovéhoproteinu, která nukleokapsid obaluje.

SYMETRIE VIROVÉ ČÁSTICE

Kubická (ikosohedrická)Helikální

TVAR VIROVÉ ČÁSTICE

• izometrický (sférický; 3)• baciliformní (4)• tyčkový (2)• vláknitý (1)• složený (5)• komplexní (Poxvirus)

ARCHITEKTURA VIROVÉ ČÁSTICE

Nahá nukleokapsida Enkapsidovaná nukleokapsida Obalená nukleokapsida I

Obalená nukleokapsida II Složený virion

1) nukleová kyselina; 2) proteinová kapsida; 3) enkapsidovaná kapsida; 4) lipidová membrána (envelope); 5) proteinovývýčnělek (peplomera); 6) tegument; 7) obal dřeně; 8) laterální tělíska; 9) povrchové tubuly. Příkladem nahé nukleokapsidyjsou viriony pikornavirů nebo parvovirů, příkladem enkapsidované nukleokapsidy jsou částice reovirů, obalenénukleokapsidy pak viriony togavirů (I) a herpesvirů (II). Složený virion představují částice poxvirů.

FUNKCE A VÝZNAM ČÁSTÍ VIRONU

Virová nukleová kyselina je nositelkou genetické informace a představuje genom viru.

Strukturní proteiny – proteiny tvořící struktury virové částice

Asociované funkční proteinyStrukturální proteiny kapsidy a membránové proteiny :

Rozpoznávací - kapsomery Interakce s hostitelemMutace

Nestrukturní proteiny

Nukleové kyselinyProteinyTuky

• Přítomnost nebo absence lipidů• Původ a charakteristika lipidů

Cukry• Přítomnost nebo absence cukrů• Původ a charakteristika cukrů

Ionty kovůDalší molekuly: H2O ….

CHEMICKÉ SLOŽENÍ VIRIONU

Linda Stannard: http://web.uct.ac.za/depts/mmi/stannard/virarch.htmlBig Picture Book of Viruses:http://www.virology.net/Big_Virology/BVHomePage.htmlStructure/Microscopy Labs:Donald Caspar: http://www.sb.fsu.edu/~caspar/Stephen Harrison: http://crystal.harvard.edu/Michael Rossman: http://bilbo.bio.purdue.edu/~viruswww/Rossmann_home/index.shtmlTimothy Baker: http://bilbo.bio.purdue.edu/~baker/Electron Microscopy: http://web.uct.ac.za/depts/mmi/stannard/emimages.htmlhttp://www.vir.gla.ac.uk/staff/bhellad/imagearchive.htm

F.O. HOLMES (1948) choroby, okruh hostitelů

A.Lwoff, B.R.W Horne, C.P. Tournier (1962) fyzikálně-chemické vlastnosti

D. Baltimore (1971) syntéza mRNA

KLASIFIKACE VIRŮ

MORFOLOGICKÉ VLASTNOSTI

• velikost virionu• tvar virionu• přítomnost nebo absence vnějšího lipoproteinového obalu (envelope)

• symetrie kapsidy a její struktura• jeden nebo více morfologických typů virionů

FYZIKÁLNÍ, CHEMICKÉ VLASTNOSTI

• molekulová váha virionu• hustota virionu • sedimentační koeficient virionu• stabilita viru: pH stabilita, teplotní stabilita, citlivost vůči organickým rozpouštědlům, detergentům a radiaci

• přítomnost kationtů (Mg2+, Mn2+)

VLASTNOSTI PROTEINŮ, TUKŮ A CUKRŮ

• počet, velikost a funkční aktivity (ne)strukturálních proteinů

• sekvence aminokyselin • modifikace proteinů (glykosylace, fosforylace)• epitopové mapování (ANTIGENNÍ VLASTNOSTI)

• přítomnost, absence tuků a cukrů • původ a charakteristika tuků a cukrů

BIOLOGICKÉ VLASTNOSTI

• okruh hostitelů, přirození a experimentální hostitelé

• patogenita, asociace s chorobou• tkáňový tropismus, patologie, histopatologie• přirozený způsob přenosu• vztah k vektoru• zeměpisné rozšíření

• typ a organizace virového genomu (typ nukleové kyseliny, počet genomických segmentů, polarita virového genomu)

• struktura virionu (symetrie proteinového pláště, přítomnost nebo absence vnějšího liproteinového obalu)

• reprodukční strategie viru

KLASIFIKACE VIRŮ

• typ nukleové kyseliny (RNA/DNA)• velikost genomu nebo jeho jednotlivých segmentů• jednovláknová/dvouvláknová nukleová kyselina• lineární/cirkulární genom• segmentovaný genom (počet a velikost segmentů)• smysl nukleové kyseliny - sense (+)/antisense (-)• sekvence nukleotidů• přítomnost repetitivních sekvencí • poměr G+C párů bazí• přítomnost nebo absence kovalentně vázaného peptidu

na 5’-konci• přítomnost nebo absence čepičky na 5’-konci• přítomnost nebo absence poly(A) sekvence na 3’-konci

TYP A ORGANIZACE VIROVÉHO GENOMU

REPRODUKČNÍ STRATEGIE VIRŮ

VELIKOST GENOMU

Virový druh (quasi-species) představuje polytetickouskupinu virů určenou jednotnou vývojovou(replikační) řadou, která se vyskytuje v určitéekologické nice.

Členové polytetické skupiny se obvykle vyznačují několikaspolečnými znaky, přičemž ne všechny obecné znaky jsoupřítomné v každém jedinci.

VIROVÝ DRUH

• sekvenční příbuznost genomů• přirozený okruh hostitelů• buněčný a tkáňový tropismus• patogenita a cytopatologie• způsob přenosu• antigenní vlastnosti virových proteinů• geografické rozšíření

KLASIFIKACE VIROVÉHO DRUHU

HLAVNÍ TAXONOMICKÁ KRITERIAPRO KLASIFIKACI: řádů, čeledí a rodů

• typ a organizace virového genomu• struktura virionu• replikační strategie viru

• Kmen (strain) je definován na základě rozdílů v biologických vlastnostech (virulence, patogenita, přenos/šíření, okruh hostitelů ap.), ale i na sekvenční identitě genomické nukleové kyseliny.

• Izolát představuje populaci jednoho druhu viru, která se liší v blíže nespecifikovaných vlastnostech od jiných populací téhož druhu.

Typ představuje populace jednoho druhu viru, která se liší od jiných populací v jedné konkrétní vlastnosti (sérotyp, patotyp).

NIŽŠÍ JEDNOTKY NEŽ DRUH