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Indice Página ¿Qué es un virus?............................................................................................................ ............... 1 Historia de la Virología.................................................................................................................. 2 Taxonomía de los virus....................................................................................................... ........... 8 Estructura de los virus.................................................................................................................... 32 Genética viral............................................................................................................... .................. 49 Ciclo infeccioso............................................................................................................. ................ 64 Efectos de los virus sobre la función celular............................................................ ...................... 105 Virus y Apoptosis............................................................................................................ ................113 Virulencia....................................................................................................................................... 117 Respuesta inmune específica e inespecífica a las infecciones virales........................................... 121 Tipos de interacción entre virus y células...................................................................................... 139 Antivirales.................................................................................................................. .....................154 Evolución de las enfermedades virales.......................................................................................... 163 Esterilidad, Desinfección, Bioseguridad...................................................................................... ...167 Cultivos Celulares...........................................................................................................................176 .. Aislamiento.................................................................................................................. ...................180 Cuantificación............................................................................................................... ..................186 Microscopia Electrónica.......................................................................... .......................................189 PCR.......................................................................................................................... .......................195 1 ¿Qué es un virus? - Un virus es un parásito intracelular obligatorio, muy pequeño e infeccioso, constituido por proteinas, ácidos nucleicos y, a veces, fosfolípidos. - El ácido nucleico, que puede ser RNA o DNA, constituye el genoma viral. - Dentro de una célula huésped apropiada, el genoma viral es replicado hasta obtener múltiples copias del mismo. A su vez, el genoma viral dirige la síntesis de las proteinas virales utilizando la maquinaria biosintética de la célula. - La progenie viral se forma a partir del ensamblaje de las proteinas y ácidos nucleicos virales. - La progenie viral es el vehículo para la transmisión del genoma viral a una nueva célula o animal, donde su desensamblaje inicia un nuevo ciclo infeccioso. Los virus son mucho más simples que los microorganismos más pequeños y carecen de de los sistemas generadores de energía y biosintéticos necesarios para una vida independiente. Pero no por ello los virus son los agentes más sencillos. Por ejemplo, los viroides son moléculas de RNA que infectan (y enferman) a una variedad de plantas de importancia económica. Los priones son simples moléculas de proteinas capaces de inducir enfermedades desvastadoras en los animales y el hombre. 2 Historia de la Virología La caracterización de los virus mencionada arriba necesitó décadas de investigación. En rigor, hasta la Segunda Guerra Mundial sólo sabiamos que los virus eran agentes infecciosos muy pequeños: producían enfermedad y atravesaban filtros que retenían a las bacterias. Inicialmente, el término virus se empleaba con cierta ambigüedad para referirse a distintos agentes, pero hacia el final del primer cuarto del siglo XX su uso se limitó a los agentes filtrables. Para apreciar el contexto en que surge el concepto de virus debemos retrotraernos a los años en que se define el concepto mismo de infecciosidad. Hacia el último cuarto del siglo XIX ocurrieron tres avances seminales en la historia de la Microbiología: 1) Louis Pasteur demuestra que la generación espontánea de organismos no existe, 2) Robert Koch valida la teoría de los gérmenes como agentes causales de enfermedad, 3) Joseph Lister obtiene un cultivo puro de bacterias. Estos conceptos se volvieron el paradigma dominante de la microbiología médica hacia fines de siglo y, al mismo tiempo, establecieron una metodología experimental a emplear en todas las situaciones: el agente debía aislarse de las lesiones, cultivarse en estado puro y reproducir la enfermedad luego de la inoculación experimental. En 1892, Dimitri Ivanowski publica la primera evidencia de un agente infeccioso filtrable. Con un extracto de hojas de tabaco enfermas pasado por un filtro de porcelana (que retiene la mayoría de las bacterias y hongos), Ivanoswki pudo transmitir la enfermedad a plantas sanas. Uno de los postulados de Koch (que el agente infeccioso debe ser aislado en cultivo puro) no pudo ser satisfecho por el trabajo de Ivanowski y este opta por pensar que algo falla en sus métodos 1 . Siete años más tarde, Martinus Beijerinck repite los experimentos de Ivanowski y los extiende observando que el agente puede reproducirse en tejido vivo pero no en medios artificiales como los utilizados con bacterias. Denomina al agente contagium vivum fluidum. Con ello comienza un largo debate acerca de la naturaleza del agente: no era microscópicamente observable; era muy pequeño para ser una bacteria. El hecho que se reproduzca (en las hojas de tabaco) excluía la posibilidad de que se trate de una toxina. El desconocimiento de su naturaleza no impidió el hallazgo de nuevos agentes filtrables en un breve periodo. Así se descubre el agente de la fiebre aftosa que causa enfermedad pustular en el ganado (Loeffler y Frosch) y, poco después (1901), Walter Reed reporta el primer agente filtrable que causa enfermedad en humanos, el virus de la fiebre amarilla. Diez años después Francis Peyton Rous demuestra que ciertos agentes filtrables causan sarcomas en las gallinas y en 1915 Frederick Twort descubre accidentalmente agentes filtrables capaces de matar bacterias (bacteriófagos). Así, en el término de 15 años sabemos que los agentes filtrables infectan muchos organismos diferentes (eucariotas y procariotas), que algunos son transmitidos por artrópodos (fiebre amarilla), y que otros pueden causar tumores (virus del sarcoma de Rous). Para la década del ´30, el término “virus” comenzaba a reemplazar al de agentes filtrables, pero su naturaleza seguía siendo un misterio. Fue un virus de plantas, el virus del mosaico del tabaco (TMV) objeto de estudio de Ivanowski, quién jugó un rol decisivo en la determinación de la naturaleza y propiedades de los virus. A principios del siglo XX se desarrollaron las técnicas para purificar enzimas. Los virus purificados podían moverse en un campo eléctrico de manera similar que las enzimas. Cuando el virus era inoculado en conejos, se producían1 Curiosamente, casi un siglo más tarde, el mismo apego a los paradigmas dominantes sembró de dudas los trabajos que llevaron al descubrimiento de los priones por Prusiner y sus colaboradores. 3 anticuerpos que neutralizaban su infectividad en las plantas. Estos hallazgos apuntaban a que los virus eran de naturaleza proteica. Trabajos con bacteriófagos demuestran la presencia de ácidos nucleicos. Esta fue la primera sugerencia de la naturaleza nucleoproteica de los virus 2 . En 1935, Wendell Stanley cristaliza al TMV de la misma manera que los químicos cristalizaban proteinas. Los cristales forman bastoncitos de diámetro constante. En 1941 la forma de bastón del virus es confirmada mediante microscopía electrónica. Al promediar el siglo XX sabíamos que el TMV estaba representado por partículas formadas por subunidades que se ensamblan para originar los bastoncitos de las electromicrografías. Químicamente, está compuesto por proteinas y RNA. Es más, los bastoncitos podían ser desagregados en subunidades proteicas y RNA a partir de los cuales podía reconstituirse virus infeccioso. Se debieron esperar algunos años más para comprender con mayor exactitud como proteinas y RNA se ensamblan para constituir una partícula viral. Para entonces se tenía en claro que el TMV, como todas las entidades vivas y replicativas, podía mutar y que por lo tanto tenía material genético. Simultaneamente, los experimentos de Avery con bacterias y de Hershey-Chase con fagos habían finalmente demostrado que la información genética reside en el DNA de los organismos. En 1953, Watson y Crick resuelven la estructura atómica del DNA. Fue en la década del ´60 (la misma en que se descifra el código genético, se reconoce al ribosoma como fábrica de proteinas y al RNA como el mensajero intermediadrio) cuando se demuestra que la información genética del TMV reside en el RNA viral: no sólo el DNA podía servir como depósito de la información genética. Quedaba claro que los virus podían almacenar la información genética en DNA (virus a DNA) o en RNA (virus a RNA). En 1949, Enders, Weller y Robbins desarrollan un método para replicar virus in vitro. Utilizan tejidos humanos para crecer virus de la poliomelitis y con ello revolucionan la forma con que los virólogos aislan y analizan las propiedades de los virus. El requerimiento de los virus de células vivas para replicarse los vuelve parásitos intracelulares obligatorios y así los distingue de la mayoría de los agentes infecciosos. Desde 1950 hasta 1975 se producen avances extraordinarios en el estudio de los bacteriófagos. Entre otras cosas se analiza el efecto de la infección en la síntesis macromolecular de las células, observándose que el virus codifica nueva información expresada como proteinas en la célula infectada, y que el virus puede existir en dos estados, lítico y lisogénico. La segunda mitad del siglo XX y con el impulso dado por los estudios en fagos, se produce un avance expectacular en el campo de los virus, a tal punto que la Virología emerge como una disciplina por derecho propio. La cantidad de nuevos virus aislados (asociados o no a entidades previamente reconocidas) aumenta exponencialmente y se observa gran variabilidad en su tamaño, resistencia a agentes físicos y químicos y el tipo de enfermedades que producen. El empleo del microscopio electrónico demuestra que, pese a las diferencias de tamaño, los virus caen en unas pocas categorías morfológicas. Los trabajos de Enders y col disparan el desarrollo de los cultivos celulares para la propagación de virus animales. Para cuando hacen su aparición las técnicas de Biología Molecular, los virólogos cuentan ya con sofisticados métodos de cultivo celular que les permiten analizar el ciclo replicativo de los virus en las células a nivel 2 Tengamos en cuenta que aún se desconocía que los ácidos nucleicos constituían el material hereditario de los organismos. 4 molecular, cuantificar precisamente las preparaciones virales, e incluso elaborar vacunas con mayor eficiencia. Los biólogos celulares tomaron pronto nota de la relativa simplicidad de los virus y de su potencial para el análisis de las funciones celulares. Muchos avances en Biología Celular provinieron de estudios con virus animales: el splicing del RNA, los oncogenes, los factores de transcripción, la transcripción reversa, el tráfico macromolecular endocelular, la fusión de membranas biológicas, la replicación del DNA, los enhancers, etc. El desarrollo de la Virología estuvo tempranamente asociado al de la Inmunología y ambas ramas de la ciencia nos han iluminado en la descripción del complejo escenario que se monta durante la infección de un animal así como de las estrategias para prevenirla. Aunque los cultivos celulares permitieron examinar las interacciones virus-célula, su relativa simplicidad no pudo reemplazar a los modelos animales para el análisis de las interacciones entre los virus y los tejidos y sistemas del huésped, especialmente el sistema inmune. Los virus han tenido mucho que ver con los grandes avances en el campo de la respuesta inmune mediada por células T. Fue un virólogo, F. Burnet, quien formuló la teoría de la tolerancia inmunológica. Jack Miller, trabajando con retrovirus descubrió que la ausencia del timo al nacimiento lleva a ciertos tipos de inmunosupresión. En 1973, Rolf Zinkernagel y Peter Doherty, trabajando con el virus de la coriomeningitis linfocitaria murina (LCMV), postulan la restricción en el reconocimiento antigénico por células T impuesta por las moléculas de histocompatibilidad. La Virología se encuentra en perpetuo movimiento. El cambio de milenio nos encuentra con resonantes éxitos: e.g erradicación deliberada del primer virus humano (viruela; último caso reportado, Somalia, 1977). Y con desafíos enormes: en 1999 se reportaron 5,8 millones de nuevas personas infectadas con el virus del SIDA (HIV). 5 Hallazgos más importantes en el campo de la Virología 1798 1885 1892 1898 1908 1911 1915 1933 1937 1938 1939 1940 1942 1949 1950 1952 1955 1956 Desarrollo de la vacuna contra la viruela Producción de la vacuna contra la rabia Transmisión de una enfermedad viral en Plantas. Los virus se reconocen como agentes responsables de enfermedades de las plantas (TMV) y los animales (aftosa). Identificación de un virus causante de la leucemia aviar. Identificación de un virus causante del sarcoma aviar. Descubrimiento de los bacteriófagos. Identificación de un virus causante de cáncer en mamíferos. (papiloma del conejo). Aislamiento del virus de la influenza humana. Reconocimiento de la naturaleza nucleoproteica de un virus de las plantas. Datos comparativos de los tamaños de los virus. Visualización electromicroscópica de un virus. (TMV). Elucidación del ciclo replicativo de un fago. Descubrimiento de un virus RNA tumorigénico para mamíferos (MMTV) Desarrollo del cultivo de células para el crecimiento del virus polio. Demostración de la inducción del fago lisogénico. Demostración de que el DNA de fago es infeccioso. Cristalización de polivirus. Demostración de la infectividad de RNA E. Jenner L. Pasteur. D. Ivanowski M.W. Beijerinck F. Loeffler and P. Frosch V. Ellerman and O. Bang. P. Rous F.W. Twort, F. D´Hérelle. R.E. Shope. W. Smith, C.H. Andrews, and P. Laidlaw. F.C. Bawden, N.W. Pirie. W.J. Elford, R. Doerr, C. Hollauer. G.A. Kausche et al. M. DelbruckJ.J. Bittner J.F. Enders et al. A. Lwoff et al. A.D. Hershey et al. F.L. Schaffer and C.E. Schwerdt. H. Fraenkel-Conrat and R.C. Williams. 6 1958 1959 1960 1962 1963 1967 1968 1970 1973 1976 1977 1978 1980 1981 1982 1983 Demostración de la inducción química de mutaciones (TMV) Descubrimiento de los parvovirus. Establecimiento de la secuencia de aminoácidos de una proteina de cápside (TMV) Establecimiento de la estructura icosaédrica de muchos virus. Se descubren los virus RNA de doble cadena (reovirus). Establecimiento de la naturaleza de los viroides. Demostración de la segmentación del genoma del virus de la influenza. Demostración de la presencia de un oncogen en el virus del sarcoma de Rous. Descubrimiento de la transcriptasa reversa Demostración de la transducción estable de información viral de la célula a un virus. Se demuestra que un oncogen viral (src) tiene su contrapartida en las células. Determinación de la secuencia nucleotídica de un virus (fago) Se descubre el splicing de RNA en adenovirus. Secuencia de DNA de un virus animal (SV40). Descubrimiento de un retrovirus asociado con leucemia en humanos. Erradicación de un virus epidémico virulento de humanos (viruela). Fabricación de una vacuna por medio de tecnología de DNA recombinante (aftosa). El virus vaccinia utilizado para expresar antígenos de otros patógenos. Aislamiento de un retrovirus humano asociado con el SIDA A. Gierer and K.W Mundry L. Kilham and L. Olivier Tsugita et al. D. Kaspar and A. Klug P.J. Gomatos and I. Tamm T.O. Diener W. Raymer P.H. Duesberg P.H. Duesberg and P.K. Vogt H. M. Temin, S. Mizutani, D.Baltimore E.M. Scolnick et al. J.M. Bishop. W. Fiers et al. L.T. Chow et al. W.Fiers, V. Reddy. B.J. Poiesz et al. World Health Association D.G. Kleid et al. D. Panicali, G.L. Smith F.Barre-Sinoussi et al 7 1985 1986 1983- 1988 Retrovirus como vectores para insertar genes en la línea germinal. Estructura cristalina de rinovirus con una resolución de 3 A. Demostración de la estructura tipo viroide del agente de la hepatitis delta del humano. Evolución del concepto de prión. H.Patten et al. M.G. Rossmann et al. K.Wang et al, Chin et al. S.B. Prusiner 8 Taxonomía de los virus En los sistemas biológicos complejos formados por numerosos miembros, se impone necesariamente la clasificación. En Virología, inicialmente los sistemas de clasificación se basaban en caracteristicas tales como las propiedades patogénicas de los virus o el tropismo tisular. Por ejemplo, el grupo de los “virus de la hepatitis” comprendía varios virus de propiedades bastante distintas que poseen la caracteristica común de producir enfermedad hepática en humanos: virus de la hepatitis A, virus de la hepatitis B, virus de la hepatitis C, virus de la fiebre amarilla, virus de la fiebre del Valle del Rift. Actuamente, todos ellos pertenecen a grupos distintos de virus y la propiedad de inducir hepatitis es una de las pocas características que comparten. Para la década del ’60 y ante el descubrimiento exponencial de nuevos virus de animales, plantas y bacterias junto a la necesidad creciente de un sistema universal de clasificación, surgen varios comités de nomenclatura y clasificación de virus. Los mismos proponen un sistema de agrupamiento en base a propiedades comunes que utiliza taxones clásicos como familias, subfamilias, géneros y especies. En este año (2005) el Comité Internacional de Taxonomía de Virus (ICTV) ha propuesto la existencia de, 3 órdenes, 73 familias, 9 subfamilias, 287 géneros y 1938 especies de virus 1 . De las 73 familias, cerca de 24 incluyen patógenos del hombre y los animales. La Taxonomía, al igual que los virus, evolucionan. A medida que sabemos más de los virus podemos refinar más la posición de un virus dentro de un grupo dado. Entonces no es inusual que un virus que hace 5 o 10 años pertenecía a un género dado, hoy pertenezca a otro. A medida que se perfeccionen los métodos para el análisis de los virus, nuevos cambios son de esperar. Por otro lado, existen numerosos virus que aún no se han estudiado profundamente y que por lo tanto no han sido asignados a ningún grupo en particular (virus huérfanos). La forma en que los virus son caracterizados con fines taxonómicos cambia rapidamente. En el pasado, se utilizaban unas pocas caracteristicas tales como la morfología del virión, el tamaño, la estabilidad frente al pH o la temperatura, y la antigenicidad. Una técnica que tuvo gran impato en la clasificación de virus fue la tinción negativa para el exámen por microscopía electrónica (Brenner and Horne, 1959). La técnica permite determinar en una misma preparación el tamaño, forma, estructura de la superficie, presencia de envoltura y simetría de los virus. La última adquisición de los sistema taxonómicos fue la incorporación de los datos provenientes de la secuenciación de los ácidos nucleicos virales. La secuenciación del genoma (total o parcial) se realiza hoy al principio del proceso de tipificación de un virus, incluso con fines diagnósticos. Actualmente se disponen de bases de datos accesibles vía Internet donde se encuentran las secuencias genómicas de los principales miembros prototipos de todos los taxones. El impacto de esta innovación fue tal, que la secuenciación de DNA o RNA viral ha promovido por sí sola la creación de familias y/o géneros antes de que se dispongan de otros datos acerca del virus. La secuenciación de los ácidos nucleicos derivó en el conocimiento de la organización de los genomas y estrategias replicativas, ambas caracteristicas que hoy en día también se utilizan con fines taxonómicos. Las secuencias genómicas son cruciales para el avance de la taxonomía filogenética tal cual veremos 1 Ver la lista completa de virus con nombre en: www.virology.net/Big_Virology/BVViruslist.html 9 después. En la fig. 1 se resumen las propiedades de los virus utilizadas con fines taxonómicos. Figura 1: Propiedades de los virus utilizadas en taxonomía Propiedades del virión Morfología Tamaño del virión Forma del virión Presencia de peplómeros Presencia o ausencia de envoltura Simetría y estructura de la cápside Propiedades físicoquímicas Masa del virión Densidad de flotación Coeficiente de sedimentación Estabilidad al pH Estabilidad térmica Estabilidad ante cationes, solventes, detergentes, irradiación, etc Genoma Tipo de ácido nucleico Tamaño del genoma Presencia de una o dos cadenas Linear o circular Sentido Número y tamaño de fragmentos Secuencia de nucleótidos Presencia de secuencias repetidas Presencia de isomerización Contenido en GCPresencia o ausencia y tipo de cap 5` Presencia o ausencia de proteina covalentemente unida a extremo 5` Presencia o ausencia de polyA en 3` Proteinas Número, tamaño, y funciones de proteinas estructurales Número, tamaño, y funciones de proteinas no estructurales Secuencia de aminoácidos Glicosilación, fosforilación, miristilación, Mapeo de epitopes Lípidos Contenidos, tipo Carbohidratos Contenido, tipo Organización del genoma y replicación Organización del genoma Estrategia replicativa Número y posición de marcos de lectura Características de la transcripción Características de la traducción Sitio de acumulación de proteinas virales Sitio de ensamblaje del virión Sitio y naturaleza de la maduración y liberación de viriones Propiedades antigénicas Relaciones serológicas, 10 Propiedades biológicas Rango de huésped natural, tropismo Modo de transmisión en la naturaleza Relaciones con el vector Distribución geográfica Patogenicidad Cuando se aisla un nuevo virus se siguen una serie de procedimientos generales tendientes a ubicar la nueva entidad en alguno de los taxones conocidos. Uno de los procedimientos es la tinción negativa para microscopía electrónica la cual brinda rapidamente información acerca de la estructura del virión. En muchos casos, esto es suficiente para asignar virus en algunas de las familias. De no serlo, puede recurrirse a la determinación del ácido nucleico viral, la caracterización antigénica y/o a la secuenciación parcial del genoma seguida de la comparación con secuencias existentes en los bancos de datos. Estas comparaciones son útiles ya que permiten rapidamente asociar la nueva entidad con grupos pre-establecidos de virus. La clasificacion de Baltimore En 1971, David Baltimore sugirió un esquema de clasificacion viral basado en la forma en la cual un virus produce su mRNA durante la infeccion. Todos los virus deberan producir un mRNA para la síntesis de proteinas pero la forma en que lo hacen dependera del tipo de genoma viral ( tipo de acido nucleico y polaridad). Asi surgen: Clase I: DNA doble cadena ClaseII: DNA simple cadena polaridad positiva Clase III: RNA doble cadena Clase IV: RNA simple cadena polaridad positiva Clase V: RNA simple cadena, polaridad negativa. Clase VI: RNA simple cadena, polaridad positiva, con retrotranscripcion a DNA. En realidad, el numero para cada clase no se aplica usualmente pero la division según acido nucleico y polaridad es uno de los criterios mas importantes utilizados hoy en dia, junto con las caracteristicas morfologicas de la capside y la presencia o no de envoltura. El sistema universal de taxonomía viral El sistema se basa en la existencia de niveles jerárquicos. Las familias de virus ocupan la jerarquía superior 2 y las mismas se denotan empleando el sufijo viridae. Una familia comprende un grupo de virus que comparten caracteristicas comunes que los diferencian de los miembros de otra familias (tabla 1). La mayoría de las familias de virus tienen una morfología, organización genómica y estrategia replicativa caracteristicas, indicando una asociación filogenética 3 . En cuatro familias de virus se han incorporado 2 En rigor, los órdenes ocupan ese sitio. Sin embargo, hasta el presente sólo un órden de virus ha sido asignado y por ello no nos extenderemos más al respecto. El órden Mononegavirales comprende las familias Paramyxoviridae, Rhabdoviridae, y Filoviridae. Notar el sujijo virales utilizado para designar órdenes. 3 Ello no quiere decir que dentro de una familia, dos virus muestren una gran distancia filogenética. Aún en ese caso, la distancia que los separa será menor que la existente con un tercer virus perteneciente a otra familia. 11 subfamilias para permitir una jerarquía más compleja de taxones entre virus que muestran relaciones más complejas entre sus miembros. Las subfamilias se denotan con el sufijo virinae. Los géneros de virus representan agrupamientos de virus que poseen caracteristicas comunes pero distintas de los miembros de otros géneros. Los géneros se designan con el sufijo virus. Los criterios para definir un género varían entre familia y familia. El taxón “especie” ha sido el más difícil de caracterizar en Virología. Después de años de controversia, la ICTV aceptó la siguiente definición de especie: “una especie de virus se define como una clase politética (esto es, definida por más de una propiedad) de virus que constituye un linaje replicativo y ocupa un nicho ecológico particular”. Esta definición acomoda la variabilidad inherente de los virus y no depende de ninguna caracteristica única del virus. Queda claro que el término especie es definido de manera similar al término virus, pero en varias ocasiones el término virus se corresponde mejor con subespecies, cepas o variantes. Muchas veces, al aislar un virus y caracterizarlo, es Tabla 1. Familias que contienen virus de humanos y animales Familia Caracteristicas Familia Caracteristicas Virus RNA Picornaviridae RNA simple cadena Caliciviridae polaridad positiva Astroviridae sin envoltura Togaviridae RNA simple cadena polaridad positiva Con envoltura Coronaviridae RNA simple cadena Polaridad positiva Con envoltura Transcripción discontinua Paramyxoviridae RNA simple cadena Rhabdoviridae polaridad negativa Filoviridae con envoltura Orthomyxoviridae RNA simple cadena Bunyaviridae polaridad negativa o Virus DNA Hepadnaviridae DNA doble y simple cadena Con envoltura Conversión de RNA genómico a DNA Circoviridae DNA simple cadena Parvoviridae sin envoltura Polyiomaviridae Papillomaviridae DNA doble cadena Adenoviridae sin envoltura Herpesviridae DNA doble cadena Poxviridae con envoltura Iridoviridae Asfarviridae: 12 Arenaviridae en ambos sentidos Genoma segmentado Con envoltura Reoviridae RNA doble cadena Birnaviridae polaridad positiva Genoma segmentado Sin envoltura Retroviridae RNA simple cadenaPolaridad positiva Conversión a DNA Agentes subvirales: satélites, viroides y Priones Género huérfano: Deltavirus RNA simple cadena Polaridad negativa Defectuoso, satélite Taxón sin definir: agentes de las encefalitis espongiformes (nombres a asignar) Sin ácido nucleico Priones (“proteinas autoreplicativas”) difícil determinar si el mismo debe ser designado como una especie o como una cepa de una especie. Para ilustrar los problemas asociados a la definición de especie, mencionaremos el caso de dos retrovirus que afectan a los ovinos, el virus del tumor nasal enzoótico (ENTV) y el virus del Jaagsiekte (JSRV). El ENTV causa tumores en la cavidad nasal mientras que el JSRV causa tumores pulmonares. El genoma de ambos virus posee una longitud promedio de 7000 bases y la comparación de las secuencias revela una similaridad del 95%. Cabe preguntarse si un 5% de diferencias es suficiente como para catalogar a dos virus como entidades diferentes. Sin embargo, al inocular el ENTV en una oveja se desarrollan tumores nasales y no pulmonares, y al inocular el JSRV se desarrollan adenomas pulmonares pero no tumores nasales. Según nuestra definición de especie, se trata de virus distintos, muy similares, pero distintos. Cada uno se relaciona con dos patologías caracteristicas. Es interesante considerar que parte de ese 5% de diferencias se concentran en los genes que codifican para la proteina que usan los retrovirus para ingresar a las células. Los virus RNA son un verdadero problema para la noción de especie. Durante la infección natural del huésped por un virus RNA se producen muchas variantes genómicas (por razones que trataremos oportunamente). Cada una de estas variantes tiene el potencial de adaptarse rapidamente a distintos ambientes. Actualmente se refiere a estas variantes naturales con la denominación de “cuasiespecies”. El siguiente es un ejemplo de la terminología taxonómica aplicada al virus de la rabia: Orden Mononegavirales, familia Rhabdoviridae, género Lyssavirus, virus de la rabia. Muchas veces se emplean términos vernáculos como, por ejemplo, “los paramixovirus”, pero aquí no sabemos a ciencia cierta si se está haciendo referencia a la familia Paramyxoviridae, al género Paramyxovirus, o a alguna de las especies del género. Taxonomía filogenética Como los virus no dejan fósiles, se pensó que nunca se encontraría evidencia para probar que dos taxones tenían raices evolutivas comunes. Cuando surgió la secuenciación del genoma como herramienta para la clasificación, fue evidente que existían muchos dominios funcionales conservados en sus proteinas. A pesar de que los genomas 13 pertenecientes a especies de distintas familias son muy diferentes, también es obvio que virus distintos (incluso familias distintas) poseen ciertas semejanzas a nivel genético (ya sea la organización de sus genes, o la existencia de secuencias para dominios proteicos que poseen funciones similares). Estas relaciones filogenéticas empezaron a reflejarse en el esquema taxonómico. Por ejemplo, la razón por la cual se creó el órden Mononegavirales surgió al reconocer que los genes para las proteinas del nucleocápside de las familias constituyentes se organizaban de manera similar y sus productos eran parecidos. A medida que más y más similitudes se reconozcan, mayor será la tendencia a construir órdenes de virus. Nosotros volveremos sobre estos temas más adelante en el curso a propósito de tratar la evolución de los virus. Para una completa lista de la clasificación actual, entrar a la página: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ICTVdb/Ictv/fr-fst-g.htm Lista de virus de los animales domésticos Virus Especie Enfermedad Papilomavirus bovino tipo 1 Bovino Fibropapiloma cutaneo idem caballo Sarcoide Tipo 2 bovino Fibropapiloma cutaneo idem caballo Sarcoide Tipo 3 bovino Papiloma cutaneo Tipo 4 bovino Papiloma digestivo Tipo 5 bovino Fibropapiloma del pezon Tipo 6 bovino Papiloma del pezon Papilomavirus ovino ovino Fibropapiloma cutaneo Papilomavirus equino equino Papiloma cutaneo Papilomavirus genital porcino porcino Papiloma cutaneo Papilomavirus oral canino perro Papiloma oral Papilomavirus del conejo conejo Papiloma cutaneo Adenovirus caballo Leves infecciones respiratorias 2 serotipos http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ICTVdb/Ictv/fr-fst-g.htm 14 Adenovirus tipo 1 perro Hepatitis infecciosa canina Adenovirus tipo 2 perro Traqueobronquitis infecciosa canina Adenovirus pollo Raramente hepatitis y sindrome caida de puesta BoHV-1 bovino IBR Subfamilia alfa BoHV-2 bovino Mamilitis Subfamilia alfa Herpesvirus caprino 1 cabra Conjuntivitis, Subfamilia alfa Pseudorabia cerdo Seudorabia Subfamilia alfa Herpesvirus equino 1 caballo Aborto Subfamilia alfa Herpesvirus equino 4 caballo Rinoneumonia Subfamilia alfa Herpesvirus equino 3 caballo Exantema coital Subfamilia alfa Herpesvirus canino 1 perro Enfermedad hemorragica de los cachorros Subfamilia alfa Herpesvirus felino 1 gato Rinotraqueitis virica felina Subfamilia alfa Herpesvirus aviar 1 pollo Laringotraqueitis infecciosa Subfamilia alfa Herpesvirus bovino 3 bovino ¿ Subfamilia beta Herpesvirus equino 2 equino ¿ Subfamilia gama Herpesvirus porcino 2 cerdo Rinitis Subfamilia gamma Herpes ovino 2 bovino Fiebre catarral maligna Subfamilia gama Virus de Marek pollos Paralisis, linfomatosis Subfamilia alfa Poxvirus bovino Pseudoviruela bovina Parapoxvirus ovino Viruela ovina Capripoxvirus cerdo Viruela porcina Suipoxvirus Bovino, gato, elefante, conejo Ortopoxvirus pollos Viruela Avipoxvirus Parvovirus porcino cerdo Aborto, muerte perinatal Panleucopenia felina gato Enteritis, hipo. Cereb. 15 Parvovirus canino perro Enteritis, miocarditis Enterovirus bovino tipos 1 a 7 bovino Infecciones subclínicas Picorna Entero Enterovirus porcinos 1 a 11 porcino Idem pero el 1 produce polioencefalomielitis Picorna Entero Enfermedad vesicular porcina porcino Enfermedad vesicular porcina Picorna Entero Enterovirus aviares Pollo Pato, pavo Encefalomielitis aviar Hepatitis Picorna Entero Virus de la encefalomiocar ditis Mamiferos en contacto con roedores Raro:encefalomiocar ditis Picorna Cardio Rinovirus bovinos 1-3 bovino Rinitis Rinovirus equinos 1-3 equino Rinitis Virus de la fiebre aftosa: 7 tipos Rumiantes y cerdo Fiebre aftosa Virus del exantema vesicular cerdo Vesiculas Calicivirus felino gato Enfermedad respiratoria alta, neumonia, ulceras Virus de la encefalitis equina del este, oeste y Venezuela Equino (hombre) Encefalitis Virus Getah Equino Fiebre Virus de la diarrea viral bovina Bovino, ovino Signos respiratorios y entericos Virus de la peste porcina cerdo Infeccion generalizada Virus de la arteritis equina equino Aborto, inf. Generalizada Virus de louping ill Oveja (hombre) Encefalitis Virus de la enfermedad de Wesselsbron Oveja (hombre) Inf. Generalizada, aborto Virus de la encefalitis japonesa Cerdo (hombre) Encefalitis, aborto Influenzas porcina, Cerdo, caballo, pollo, resp. Respiratorio 16 equina, aviar V. parainfluenza 1 Conejo, roedores Respiratorio : parainfluenza 2 (SV5)perro Respiratorio V. parainfluenza 3 rumiantes Respiratorio Virus de Newcastle aves Signos nerviosos Virus de la peste bovina rumiantes Generalizado Virus de la peste de los pequeños rumiantes Oveja, cabra Generalizado Virus del moquillo canino Canidos y otros General, nervioso Virus respiratorio sincitial bovino Vaca, oveja respiratorio Paramixovirus, pneumo Virus de la gastroenteritis transmisible porcina Cerdo gastroenteritis Coronavirus, grupo 1 Virus de la peritonitis infecciosa felina (PIF) Gato Peritonitis, neumonia, meningoencefalitis, Coronavirus, grupo 1 Coronavirus canino Perro enteritis Coronavirus, grupo 1 Virus de la hepatitis del ratón Raton Hepatitis, encefalomielitis, enteritis Coronavirus, Grupo 2 Coronavirus bovino Vaca gastroenteritis Coronavirus, Grupo 2 Virus de la encefalomielitis hemaglutinante porcina Cerdo Vomitos, consuncion, encefalomielitis Coronavirus, Grupo 2 Virus de la bronquitis infecciosa aviar Pollo Traqueobronquitis, nefritis Coronavirus aviar grupo 1 Virus de la cresta azul Pavo enteritis Coronavirus aviar, grupo 2 Fiebre del Valle del Rift Oveja, cabra, bufalo, hombre Hepatitis, aborto Bunyavirus, phlebo Akabane Vaca congenita Bunyavirus, bunya (mosquito) Valle del Cache Vaca, oveja congenita Bunyavirus, bunya (mosquito) Enfermedad ovina de Nairobi Oveja, cabra enteritis Bunyavirus, nairo (mosquito) Fiebre hemorragica de Crimea Rumiantes, hombre ninguno Bunyavirus, nairo (garrapata) Andam Roedores, hombre ninguno Bunyavirus, hanta 17 Estomatitis vesicular, muchos serotipos Caballos, vacas, cerdo vesiculas Rabdovirus, vesiculo Rabia Mamiferos encefalitis Rabdovirus, lyssa Rabdovirus de peces (5) Peces varios Rabdo, lyssa y vesiculo Virus de la leucosis aviar Pollo Linfomas, leucemia, anemia, osteopetrosis Retrovirus, alfaretrovirus (v-onc -) Virus del sarcoma aviar Pollo sarcoma Retrovirus, alfaretrovirus (v-onc +) Virus de la reticuloendoteliosis Pollo Linfomas, anemia, sarcoma Retrovirus gamaretrovirus (v-onc +) Virus de la leucosis bovina Vaca leucemia Retrovirus,deltaretrovirus (v-onc -) Virus del sarcoma porcino Cerdo sarcoma Retrovirus (v. onc +) Virus de la leucemia felina (VleF) Gato leucemia Retrovirus,gamaretrovirus (v onc -) Virus del sarcoma felino Gato sarcoma Retrovirus, gamaretrovirus (v onc +) Virus de maedi- visna Oveja Neumonia progesiva Retrovirus, lentivirus Virus de la artritis encefalomielitis caprina Cabra Artritis, encefalomielitis Retrovirus, lentivirius Virus de la anemia infecciosa equina (EIA) Caballo anemia Retrovirus, lentivirinae Virus vacuolizante bovino Vaca ninguno Retrovirus, spumavirinae Virus vacuolizante felino Gato ninguna Retrovirus, spumavirinae Ortoreovirus aviares Pollo Artritis, nefrosis, enteritis, etc Reovirus, ortho Virus de la lengua azul Rumiantes Lengua azul Reovirus, orbi Virus Ibaraki Vaca Parecido a lengua azul Reovirus, orbi Virus de la peste equina africana Caballo, asno, cebra, mula peste Reovirus, orbi Virus de la encefalosis equina 1-5 Caballo Aborto, encefalitis Reovirus, orbi Rotavirus La mayoria enteritis Reovirus, rota Bursitis infecciosa aviar Pollo Diarrea, deshidratacion Birnavirus 18 Virus de la necrosis pancreatica de los peces Peces hemorragias birnavirus 32 Estructura de los virus Cada partícula individual de virus recibe el nombre de virión. Las partículas virales están diseñadas para la transmisión efectiva del genoma viral de una célula a la otra o de un animal a otro. Una función del virión es proteger al genoma viral de la ruptura o de la mutación durante su fase extracelular. En particular, la cápside del virión cumple un rol fundamental en la protección del genoma. Las proteinas de la cápside poseen sofisticados plegamientos y se hallan empaquetadas de forma muy compacta, de tal forma que resisten la digestión por las enzimas proteolíticas. Al referirnos a la estructura de un virión es conveniente distinguir entre los siguientes términos: - Protómero (o unidad estructural): conjunto de proteinas (iguales o distintas) que forman el bloque unitario de un ensamblaje mayor. Por ejemplo, VP1, VP2, VP3 y VP4 son cuatro proteinas distintas que constituyen los protómeros del virus de la polio o poliovirus. - Unidad de ensamblaje: conjunto de proteinas o de protómeros que operan como intermediarios en la formación de una estructura mayor (ej, el pentámero de VP1 en el virus SV40). - Unidad morfológica (capsómero): se refiere a las regiones o “clusters” observables sobre la superficie del virión con el microscopio electrónico. Generalmente se trata de las partes de las proteinas que se proyectan desde la superficie viral alrededor de los ejes de simetría. - Cápside: la cubierta proteica que rodea al genoma viral. Los términos ingleses coat o shell se refieren a la cápside. - Nucleocápside: se refiere al complejo completo de proteinas y ácido nucleico que suele utilizarse especialmente en casos donde la nucleocápside es una subestructura de partículas virales más complejas. - Envoltura: bicapa lipídica y proteinas asociadas que rodean muchos tipos de partículas virales. - Virión: la partícula viral completa. ¿Cómo se estudia la estructura de los virus? En principio, cualquier técnica destinada al estudio de la estructura de los virus requiere la obtención de una suspensión pura de virus. En la figura 1 se muestra un protocolo clásico para producir virus libre de restos celulares. La microscopía electrónica es la mejor manera de determinar la estructura general de los virus. Aunque pueden examinarse cortes ultradelgados de tejidos infectados, se obtiene mayor detalle cuando se emplean suspensiones virales purificadas que han sido teñidas negativamente con, por ejemplo, fosfotungstato de potasio. Mientras que en un corte podemos observar partículas virales en diversos grados de maduración, cuando se examinan suspensiones de virus purificado predominan las formas maduras o completas. La microscopía crioelectrónica es una variante en la cual la muestra se congela a muy bajas temperaturas (-160 o C) y se mantiene así durante la observación. No se 33 Figura 1: Esquema de un protocolo de propagación y purificación de virus 34 requiere fijación ni tinción. Los contrastes bajo el microscopio dependen de las propias subestructuras virales y no del efecto de la tinción negativa. Cuando el material está bien preservado, las micrografías pueden ser sometidas a análisis de imágenes con la ayuda de softwares apropiados. Tales análisis permiten la reconstrucción tridimensional a partir de micrografías con una resolución del órden de los 30-40 Å 1 , esto es, lo suficiente como para poner en evidencia unidades de ensamblaje proteicas 2 . El fundamento de tales reconstrucciones es el siguiente. Bajo el microscopio electrónico, una única molécula de proteina da una señal muy débil y borrosa. Una forma de solucionar este problema es combinar la información proveniente de muchas moléculas idénticas de tal forma de poder promediar y sustraer los déficits de las imágenes individuales. Tal situación se da en los virus porque están constituidos por subestructuras repetitivas. Las micrografías de suspensiones virales incluyen miles de partículas y es posible utilizar los analizadores de imágenes para computar la imagen promedio de una macromolécula individual, revelando detalles usualmente oscurecidos por el “ruido” de la micrografía original. En la figura 2 se muestran las reconstrucciones tridimensionales de algunos virus con simetría icosaédrica (ver más abajo). Aunque la microscopía electrónica ofrecegran detalle, este nunca es suficiente como para visualizar la forma en que las proteinas individuales del virus interactúan entre sí en la partícula. Esto ocurre porque los átomos de una molécula están separados por distancias del órden de 0.1-0.2 nm. Tal resolución a nivel submolecular sólo puede lograrse mediante métodos de difracción de rayos X. Como la luz, los rayos X son una forma de energía electromagnética pero con una longitud de onda mucho más pequeña. Si se dirige un haz de rayos X a un cristal de proteina (con millones de moléculas de proteina pura), un porcentaje de los rayos serán difractados por los átomos de la muestra. En ciertos puntos, las ondas difractadas se reforzarán entre sí y formarán puntos de difracción que serán captados por un detector. La posición e intensidad de cada punto contiene información acerca de la posición de los átomos en el cristal. El producto inmediato de un análisis de difracción es un complejo mapa de densidad electrónica tridimensional. Su interpretación requiere conocer la secuencia de la proteina del cristal. Con ayuda de una computadora, el mapa y la secuencia son cotejados hasta obtener la máxima coincidencia. La fidelidad del modelo atómico final depende de la resolución de los datos cristalográficos originales. Por ejemplo, una resolución de 5 Å produce una baja resolución del esqueleto de la proteina, mientras que una resolución de 1,5 Å permite posicionar todos los átomos de la proteina (excepto los de H). Muchas clases de proteinas han sido analizadas de este modo. Algunos virus no envueltos, al igual que las proteinas, pueden purificarse y formar cristales de suficiente calidad como para analizarlos mediante difracción de rayos X. Así, se ha determinado la estructura tridimensional del virus de la fiebre aftosa con una resolución de 2 Å y la del parvovirus canino con una resolución similar. Es importante recalcar que el éxito completo de cualquier estudio estructural a este nivel requiere el conocimiento previo de las macromoléculas constitutivas del virus y sus proporciones relativas, de la misma manera que necesitamos 1 Un diámetro atómico equivale a 2 o 3 Å; una hélice alfa de aminoácidos = 10 Å, y la doble hélice de DNA, 20 Å. 1 Å = 0,1 nm (nanómetros), 1nm= 10 -9 m, 1 Å= 10 -10 m. 2 Para observar reconstrucciones coloreadas y animaciones de distintos grupos de virus, visitar www.bocklabs.wisc.edu/virusviztop.html 35 la secuencia de aminoácidos en el caso de las proteinas puras. Virus más complejos no han podido cristalizarse aún. En esos casos, las partículas son disociadas en unidades de ensamblaje menores las cuales sí pueden purificarse y cristalizarse. Estos datos suelen combinarse con los obtenidos por análisis de crioelectro-micrografías de partículas completas para obtener una imagen completa y detallada de la estructura del virión. Fig 2: A) Virus Sindbis (RNA, envuelto, Togaviridae). Vista de la superficie del virión. Derecha: corte transversal mostrando las glicoproteinas de la envoltura (periferia más clara) y la nucleocápside por dentro. Debajo se muestra la superficie de la nucleocápside. B) La cápdide de un calicivirus (RNA, no envuelto, Caliciviridae). C) Rotavirus (RNA, no envuelto, Reoviridae). La partícula tiene tres capas concéntricas de proteinas. Las espículas que emanan de la superficie están formadas por la proteina VP4 la cual está implicada en el reconocimiento del receptor celular. D) Herpesvirus (DNA, envuelto, Herpesviridae). La envoltura no se incluye a los fines de mostrar la nucleocápside cuya superficie contiene una proteina estructural principal, VP5. (de Fundamental Virology, Fields, B et al, 3 ra edición). 36 Morfología y estructuras virales Existe una gran variedad de tipos morfológicos entre los virus. En la figura 3 se muestra un esquema sencillo de una partícula viral con sus componentes. El elemento más externo corresponde a la envoltura, cuya estructura general es idéntica a la de cualquier membrana biológica. Como no todos presentan membrana, los virus se clasifican en virus envueltos y virus no envueltos. Rodeada por la envoltura se encuentra la cápside, de naturaleza proteica y presente en todos los virus. La cápside sirve a su vez de cubierta protectora para el genoma viral, RNA o DNA, el cual está asociado a otras proteinas. Como la cápside y el genoma viral de ciertos virus están íntimamente relacionados, suele utilizarse el término nucleocápside para referirse al complejo completo de proteinas-ácidos nucleicos. En algunos virus, la envoltura se halla fuertemente asociada a la nucleocápside. En otros, por el contrario, se describe un espacio (tegumento) que es ocupado por otro set de proteinas. Las variaciones sobre esta arquitectura básica, que pueden ser significativas, se verán oportunamente al tratar individualmente las distintas familias de virus. Figura 3: Componentes de la partícula viral. La envoltura La envoltura está constituida por una bicapa de lípidos y proteinas asociadas. La presencia de la envoltura no sólo es un rasgo morfológico, sino que imprime al virus con un estilo de penetración en la célula target o blanco y con una manera de interactuar con la rama efectora del sistema inmune. Las proteinas de la envoltura pueden ser transmembrana o asociarse con la bicapa por otras modalidades. La cadena polipeptídica de las proteinas transmembrana atraviesan una o más veces la bicapa. Típicamente presentan tres dominios: uno interno, uno transmembrana y otro externo. Si se trata de una glicoproteina (gp), las cadenas de oligosacáridos se unen al dominio externo. Los dominios externos son particularmente importantes pues contienen los sitios de unión a los receptores celulares, evento que marca el inicio de la penetración de los virus en las células. Por lo tanto, la integridad de la envoltura es esencial para la infectividad de los virus envueltos. Los dominios externos envoltura tegumento cápside genoma nucleocápside 37 son importantes en otro sentido: son los blancos predilectos de la rama efectora de la respuesta inmune. El rol de las proteinas de la envoltura en la penetración, no se limita a la unión a los receptores. Para que el genoma viral pueda expresarse en la célula, debe desprenderse de las estructuras que lo rodean. Los virus envueltos se deshacen de su membrana, ya sea en la superficie celular o en los endosomas, al fusionarse con la membrana de la célula. La fusión entre las membranas dependen de las aptitudes fusogénicas de algunas proteinas de la envoltura. ¿Cuántos tipos diferentes de proteinas de membrana tienen los virus? Ello depende del virus en cuestión. Por ejemplo, el virus de la rabia (Rabdovirus, RNA), posee sólo dos tipos, la glicoproteina G y la proteina M. Existen unas 1200 copias de gp G por virión. La gp G es una proteina transmembrana con un peso molecular de 63 Kd 3 , y es responsable de la unión a los receptores y de la fusión de la envoltura con la membrana plasmática. La proteina M (26 Kd, 1800 copias por virión) se encuentra del lado interno de la envoltura y realiza contactos con la nucleocápside. En los paramixovirus (RNA), la glicoproteina HN se encarga de la unión a los receptores mientras que la gp F es el factor fusogénico. Otros virus más complejos, como ciertos virus DNA, contienen mas de 10 tipos de proteinas distintas en su envoltura. Observese, que el reconocimiento de los receptores celulares y la fusión de membranas son funciones que pueden recaer sobre un tipo de proteina o bien repartirse entre dos o más proteinas distintas. Otras funciones importantes de las proteinas de la envoltura son la destrucción de receptores e intervenir en el denudamiento de la nucleocápside, aunque las mismas están restringidasa un número menor de virus. La envoltura es adquirida en las etapas finales de la infección, antes de la liberación de la progenie viral. El proceso por el cual la nucleocápside adquiere la envoltura se conoce como gemación (“budding” en inglés) y puede ocurrir en la membrana plasmática, en el aparato de Golgi o en el retículo endoplásmico, según el virus. Las proteinas de envoltura se congregan en la membrana relevante y las nucleocápsides luego “arrastran” la membrana resultando envueltas en el proceso. ¿Cómo “saben” las proteinas virales que deben congregarse en un compartimiento determinado? Las proteinas virales usan los mismos códigos de segregación que las proteinas celulares. Por ejemplo, si un virus gema a través de la membrana del retículo endoplásmico, las proteinas de la envoltura viral deberán tener señales que las retengan específicamente en la membrana del retículo. Por otro lado, ciertas proteinas de la envoltura viral juegan un papel decisivo en el proceso mismo de gemación. Mientras que las proteinas virales están codificadas por el genoma del virus, la síntesis de los fosfolípidos no lo está. Como consecuencia, la composición de lípidos de la envoltura viral suele ser un reflejo de la membrana celular de la cual se originó. Ello no quita que algunos virus, por mecanismos poco claros, puedan enriquecer sus bicapas en ciertos fosfolípidos durante la gemación. Tampoco se conoce bien como en la gemación se excluyen las proteinas celulares. 3 Kd= kilodalton 38 La cápside La cápside es esencialmente una cubierta formada por repetición de unas pocas proteinas (de un solo tipo de proteina en algunos virus). La estructura de la cápside debe ser lo suficientemente estable como para proteger el genoma ante ambientes hostiles. Pero una vez en el interior celular, debe ser lo suficientemente inestable como para permitir la liberación del genoma, paso esencial para la replicación. Por lo tanto, las partículas virales son estructuras metaestables, esto es, aún no han alcanzado una conformación que represente el estado de mínima energía libre. Esta última condición se logra cuando se promueven cambios de conformación irreversibles asociados con la adhesión y entrada de la partícula a la célula. La cápside es la estructura más expuesta en los virus no envueltos, lo cual implica que contiene los sitios necesarios para reconocer los receptores celulares. Aun en los virus envueltos, la forma de la cápside suele determinar la forma global del virión. Sin embargo, en virus más complejos otras estructuras subvirales pueden incidir en la forma de la partícula. Aunque la cápside generalmente está constituida por una capa única de proteinas, ciertos virus presentan cápsides estratificadas. El número de proteinas distintas presentes en la cápside varía de virus a virus. En algunos pocos, la repetición de un solo tipo de proteina basta para conformar la cápside. En la mayoría de los virus, tres o cuatro proteinas forman los bloques de construcción con los cuales se forman las estructuras de ensamblaje de mayor jerarquía. Una forma conveniente de describir la estructura de los virus es a través de sus ejes de simetría rotacional. En este sentido, predominan dos tipos: los de simetría icosaédrica y los de simetría helicoidal. Muchos virus esféricos poseen simetría icosaédrica mientras que muchos virus bastoniformes presentan simetría helicoidal. El icosaedro es una de las figuras platónicas. Se caracteriza por tener 20 caras cada una de las cuales es un triángulo equilátero. La simetría del icosaedro incluye ejes Figura 4. Icosaedro mostrando los ejes de rotación. La mayoría de los virus con simetría icosaédrica no tienen forma de icosaedro, pero sí poseen los ejes de rotación dobles (2), triples (3) y quíntuples (5) que caracterizan al icosaedro. (de Fundamental Virology, Fields, B et al, 3 ra edición). 39 dobles, triples y quíntuples de rotación, un patrón que parece ser la forma más eficiente para la disposición de subunidades estructurales en una conformación cerrada (figura 4). Existen exactamente 60 elementos idénticos en la superficie de cualquier estructura con simetría icosaédrica que se relacionen entre sí por ejes de rotación dobles, triples y quíntuples. Esto significa que si una cápside está formada por 240 unidades, las mismas deben estar agrupadas en 60 sets idénticos. En la figura 5, las unidades, representadas por comas, se disponen obedeciendo a las leyes del icosaedro. Las comas relacionadas por ejes dobles de simetría contactan por sus cabezas, las relacionadas por ejes triples, por sus cuellos, y las relacionadas por sus ejes quíntuples, por sus colas. La simetría del icosaedro establece que sólo 60 (como en la figura) o un múltiplo de 60 unidades idénticas pueden acomodarse en la estructura. En la mayoría de los virus, cada unidad (coma) está formada por más de una cadena polipeptídica. En algunos, se trata de cadenas de la misma proteina mientras que en otros las cadenas son químicamente distintas. a Figura 5. Estructuras con simetría icosaédrica conteniendo 60 (a) o 180 (b) subunidades. (de Fundamental Virology, Fields, B et al, 3 ra edición). El múltiplo de 60 unidades que utiliza un virus para conformar su cápside viene indicado por el valor T. Así, un virus con un valor T= 4 indica que posee 240 unidades totales agrupadas en 60 sets idénticos. El valor T también se conoce como valor de triangulación por que da idea del modo en que la superficie del icosaedro puede ser subtriangulada para acomodar un gran número de unidades. Los virus con cápsides más grandes generalmente emplean diferentes tipos de subunidades para formar los vértices con ejes quíntuples de rotación (hay 12 de tales vértices en un icosaedro) y presentan además otros tipos de complejidad. En algunos virus envueltos, los dominios internos de las proteinas de membrana presentan contactos con la cápside. En estos casos se piensa que la movilidad lateral de las proteinas en la bicapa está restringida, y que las proteinas se ordenan siguiendo los principios de la simetría del icosaedro. 40 Ejemplos de estructura viral Picornavirus (RNA, no envueltos) Debido a su pequeño tamaño y a la falta de envoltura, varios virus RNA de polaridad positiva 4 han podido cristalizarse y su estructura tridimensional determinarse con precisión. En la figura 6 se muestra la organización estructural de la cápside en Picornaviridae. Contiene 60 unidades estructurales o protómeros. Cada protómero contiene cuatro subunidades, las proteinas VP1, VP2, VP3 y VP4 (del inglés Virion Polypeptide). Como hay 180 de tales subunidades en el virión, organizadas en 60 protómeros idénticos, T=3. Figura 6: Organización de la cápside de picornavirus. (de Fundamental Virology, Fields, B et al, 3 ra edición). Aunque VP4 se señala en la figura, esta proteina se encuentra enterrada en la cápside y no contribuye a la superficie del virión. Cuando se tratan viriones purificados con una solución de HCl 0.1 M, pH 6, el virión se disocia liberando el genoma de RNA, VP4 y 12 pentámeros compuestos por 5 protómeros cada una. Los pentámeros pueden disociarse en presencia de urea 2 M en sus protómeros constituyentes (figura 7). 4 Esto es, cuyo RNA actúa como un mRNA dentro de la célula. protómero 41 Figura 7. Disociación del virión en picornavirus. Este esquema de disociación sugiere el mecanismo de ensamblado. Tanto VP1, VP2 como VP3 poseen un dominio común de unos 200 aminoácidos, organizado como hoja plegada ß ydenominado “barril ß” de la cápside. La forma en que se pliega la cadena polipeptídica se muestra en la fig 8. Las cadenas ß forman dos hojas (B, I, D, G y C, H, E, F). Las doble mayúsculas (BC, HI, etc) indican los “loops” (partes del polipéptido que unen las regiones ß y que pueden adoptar varias configuraciones) donde se encuentran las mayores diferencias entre las VPs. Los cilindros indican regiones de hélices. Aunque los barriles ß son comunes a muchas proteinas, el tamaño y disposición de los loops son exclusivos de las proteinas virales. La forma de estos dominios les permite empaquetarse firmemente alrededor de los ejes de rotación. De hecho, dominios similares se encuentran en las cápsides de muchos tipos de virus. Figura 8: modelo de barril ß de las proteinas de la cápside. Los loops así como los extremos carboxi-terminales protruyen hacia la superficie externa del virión contribuyendo así a la antigenicidad del virión y al reconocimiento de los receptores celulares. Alrededor de los ejes quíntuples de rotación, cinco moléculas de VP1 interactúan (fig. 6, centro de la figura), se forma una depresión denominada cañón. En los rinovirus, el cañón es el sitio de interacción con el receptor celular ICAM-1, una proteina de adhesión de la superfamilia de las inmunoglobulinas. Los extremos N- terminales de los barriles se encuentran en el lado interno de la cápside interdigitandose y formando una red que dirige y estabiliza el ensamblado. ac. clorhídr. 0.1M pH 6, 37 C urea 2 M virión pentámero protómero superficie externa del virus 42 En algunos picornavirus, el virión sufre un cambio conformacional al interactuar con la superficie celular. El cambio es de tipo expansivo, va acompañado de la pérdida de VP4 del interior, y sería disparado por la unión a uno o unos pocos receptores. Por lo tanto, la unión con el receptor no sólo promueve la adhesión específica del virus a la célula, sino que inicia el desensamblaje. Adenovirus (DNA, no envueltos) Los adenovirus (Adenoviridae) poseen una estructura más compleja que la descripta anteriormente (fig.9). La estructura tridimensional de la partícula fue determinada con una resolución de 35 Å mediante reconstrucción tridimensional a partir de micrografías crioelectrónicas. Las partículas de adenovirus son icosaédricas y miden entre 70 y 100 nm (unas tres veces más que los picornavirus). Figura 9. Diagrama de la partícula de adenovirus Análisis electroforéticos indican la presencia de unos 11 polipéptidos diferentes en el virión, 7 de los cuales están en la cápside formando 252 subunidades o capsómeros (240 hexones y 12 pentones). Cada hexón es un trímero de un mismo polipéptido de 110 Kd (polipéptido II), el cual posee dos dominios con una configuración global semejante a la del barril ß. Los loops del barril se proyectan hacia fuera interactuando firmemente con los loops de los otros barriles del hexón. Los loops contienen los principales determinantes antigénicos específicos de cada tipo de virus. El pentón está formado por una base pentamérica (polipéptido III) y una fibra trimérica (polipéptido IV) y se localiza en los ejes quíntuples de rotación (12 por partícula) 5 . Cada base está rodeada por 6 hexones . La proteina de la fibra posee 22 5 Los nombres de hexón y pentón derivan del hecho de que cada uno está rodeado por 6 y 5 elementos idénticos, respectivamente. Hexón Pentonbase proteina asociada al pentonbase fibra DAP (proteina asociada al DNA) proteina asociada al hexón 43 repeticiones que conforman el largo tallo y un extremo C-terminal de 181 aminoacidos que forman la dilatación en el extremo. Se piensa que tanto la fibra como la base son importantes para ingresar a la célula. La dilatación de la fibra media la unión inicial y la base refuerza la unión al interactuar con integrinas de la célula. Simetría helicoidal En los virus con simetría helicoidal, las unidades de la cápside forman una hélice alrededor del genoma con un eje de rotación coincidente con el eje de la hélice. Por ejemplo, el TMV es un bastoncito rígido de 300 nm de largo por 18 de ancho. Las 2130 unidades de la cápside se disponen en una hélice hacia la derecha con 16 1/3 unidades por vuelta. El RNA se localiza entre las vueltas sucesivas de la hélice (fig.10). Figura 10. Estructura helicoidal del virus del mosaico del tabaco (TMV) (de Fundamental Virology, Fields, B et al, 3 ra edición). ¿Cómo identificar las proteinas del virión? Los virus codifican en su genoma las proteinas que necesitan para replicarse, ensamblarse, formar el virión, etc. Cuando hablamos de proteinas del virión nos estamos refiriendo a aquellas proteinas virales que forman parte de la partícula viral, diferenciandolas de otros productos virales que, aunque esenciales para la replicación del virus, no integran las mismas. La mayoría de las proteinas del virión, como hemos visto, cumplen roles estructurales y, a veces, proteinas del virión y proteinas estructurales del virus se utilizan como términos equivalentes. Algunos virus poseen enzimas incorporadas en el virión. Por ejemplo, los retrovirus poseen en la capside varias copias de la enzima 44 transcriptasa reversa la cual cumple un papel decisivo en el cilo de vida de este grupo de virus. La forma más directa de identificar las proteinas del virión es purificandolo, disociando sus proteinas y separandolas luego mediante electroforesis. Una forma de lograr esto es infectar cultivos celulares en un medio en el cual la metionina normal presente en su composición es reemplazada por 35 S-metionina. En estas condiciones, todas las proteinas que incorporan metionina (y la gran mayoría lo hace) van a ser radioactivas, y por extensión, las partículas virales que se forman. Luego se cosecha el virus y se lo purifica siguiendo algún protocolo de purificación. La purificación es importante ya que también las proteinas celulares serán radioactivas y si no se las separa el gel contendrá tanto bandas correspondientes a proteinas celulares como virales. La suspensión viral luego se trata con un detergente como el SDS (dodecil sulfato de sodio) el cual disocia las proteinas del virus y anula sus cargas. Las proteinas disociadas luego se separan mediante electroforesis en gel de poliacrilamida. En estas condiciones, la separación de las proteinas en el gel es una función de su tamaño relativo, y el mismo puede estimarse si se corren simultaneamente proteinas con pesos moleculares conocidos (marcadores de peso molecular). Transcurrida la electroforesis, el gel de seca y se pone en contacto con un film. La radioactividad emitida por las bandas proteicas impresiona la emulsión del film y tras el revelado se detecta como una mancha negra. Este último procedimiento se denomina radioautografía (fig. 11). Figura 11. Polipéptidos de rotavirus en partículas purificadas. Otro método muy utilizado que también emplea marcación metabólica con un aminoácido radioactivo, requiere la producción previa de anticuerpos específicos para proteinas virales. En esta técnica, denominada inmunoprecipitación, las células infectadas y marcadas son lisadas con un detergente. A este lisado (que contiene tanto proteinas celulares como virales) se le agrega un anticuerpo específico acoplado a partículas inertes. En el lisado, los anticuerpos se unirán a una proteina viral de tal forma que se formarán complejos proteina-anticuerpo-partícula, los cuales pueden separarse del resto de los componentes del lisado mediante centrifugación. Las proteinas virales pueden luego fraccionarse en un gel de poliacrilamida y visualizarse mediante radioautografía. La técnica de inmunoblotting (o Wester blott) también se basa en reacciones entre anticuerposy proteinas virales pero en formato distinto y sin la necesidad de 45 marcación metabólica. Se infectan células, se lisan con detergente y se separan mediante electroforesis. Posteriormente, el gel se pone en contacto con una membrana sintética que posee afinidad por las proteinas y, con ayuda de un aparato especial, las bandas de proteinas del gel son obligadas a transferirse a la membrana ocupando las mismas posiciones que guardaban en el gel. Notese que hasta aquí, no hubo ninguna selección: tanto bandas celulares como virales son transferidas a la membrana. Luego se coloca la membrana en una cuba llena de buffer que contiene anticuerpos contra una proteina viral determinada. Estos anticuerpos se unirán a la banda transferida que contenga la proteina contra la cual fueron generados los anticuerpos, pero no al resto de las bandas de la membrana. Para poner en evidencia la banda en cuestión, se recurre a uno de varios protocolos de inmunotinción como, por ejemplo, los basados en los sistemas peroxidasa o avidina-biotina. Tanto la inmunoprecipitación como el inmunoblotting van más allá de la simple detección de proteinas virales. Solas o combinadas pueden usarse para estudios de cinética, localización subcelular, o asociación de proteinas virales con otros productos. El inmunoblotting es así mismo un método muy sensible de diagnóstico. El genoma de los virus El genoma viral suele encontrarse en el centro de la partícula asociado a proteinas. Durante el ensamblaje, cortas secuencias del genoma actúan como señales de empaquetamiento las cuales dirigen la encapsidación. En algunos virus, la replicación del genoma está coordinada con el empaquetamiento. El genoma viral no suele estar “desnudo”, por el contrario, ciertas proteinas se unen para neutralizar las cargas negativas de los grupos fosfato del RNA o DNA. En algunos virus pequeños a DNA como los poliomavirus, el cromosoma viral está empaquetado por histonas celulares, no teniendo necesidad el virus de codificar proteinas de empaquetamiento. Los virus a DNA con mayor capacidad genómica (herpesvirus, adenovirus), utilizan proteinas especiales codificadas por el virus. En muchos virus RNA las mismas proteinas de la cápside interaccionan con el RNA. En general, el genoma viral no parece adoptar una configuración única dentro de la cápside. Po ello, no se suelen obtener datos cristalográficos de estas estructuras. Los genomas virales comparten rasgos comunes con los genomas de otros organismos. Como ya se había mencionado, una de las caracteristicas de los genomas virales que los diferencia del resto es que la infomación genética puede almacenarse tanto en la forma de DNA como en la de RNA. Así, los virus se dividen en dos grandes grupos: virus DNA y virus RNA. Las diferencias entre los dos grupos van mas allá de la mera distinción química entre sus ácidos nucleicos. Por ejemplo, los virus RNA se replican en el citoplasma mientras que los virus DNA lo hacen en el núcleo. Siempre hay excepciones: los virus de la influenza (RNA, Orthomyxoviridae), por ejemplo, se replican en el núcleo. La capacidad de los genomas virales (o sea, el número de genes que contienen) está limitada por la capacidad de empaquetamiento de la cápside. Incluso los virus más complejos no suelen tener más de 300 genes, mientras que los más simples sólo poseen 5 o 6!! . Una bacteria como E. Coli posee 2400 genes y una célula de mamífero, unos 46 70000, lo cual ilustra la relativa simpleza de los virus. En este contexto, sorprende la manera en que los genes virales dominan la escena de la expresión génica una vez dentro de las células. En la figura 12 se compara la cantidad de DNA entre diversos organismos. Figura 12. Cantidad de DNA en diversos organismos (en millones de pares de bases) Las restricciones espaciales de los virus obligan a una alta densidad génica, esto es, disponer de muchos genes en un corto tramo de ácido nucleico, mientras que en la célula eucariota los genes están separados por largas secuencias no codificantes. En los virus más sencillos, los genomas contienen genes para las proteinas estructurales y poco más. En los más complejos, como los grandes virus DNA, el genoma se expande para aceptar genes para enzimas del metabolismo nucleotídico, la replicación del DNA, e incluso para proteinas destinadas a modular al gran enemigo: el sistema inmune. No existe correlación entre el número de genes de un virus y la severidad de la enfermedad que ocasionan. Virus con un bajo número relativo de genes pueden ser desvastadores para el huésped, e.g. el HIV, mientras que virus con un número relativo alto de genes (e.g. poxvirus) pueden ocasionar enfermedades benignas. No debemos perder de vista la premisa de que los virus solo “buscan” perpetuarse en la naturaleza adaptandose al nicho que mas le convenga. Ello puede requerir de una cantidad variable de productos virales de acuerdo a la estrategia utilizada. El pequeño tamaño de los genomas virales ha permitido la secuenciación completa de incontables virus de plantas, bacterias y animales. La organización de los genomas suele representarse con diagramas de distinto tipo, siguiendo ciertas convenciones. En la figura 13 se esquematizan dos versiones de la organización genómica del virus de la papilomatosis bovina 1 o BPV-1 (DNA, Papilomaviridae). El genoma del BPV-1 es una molécula de DNA circular de doble cadena con 7946 pares de bases. Su organización puede esquematizarse en su versión circular nativa (A) o en su versión linearizada (B). El BPV-1 posee 10 genes. Algunos se expresan temprano durante la infección y reciben el nombre de genes E (Early= temprano), los otros se expresan tarde durante la infección y reciben el nombre de genes L (Late= tardíos). Una característica de todos los papilomavirus es que todos sus genes están codificados en una sola de las dos cadenas de DNA. 0 50 100 150 Millones virusbacteriaslevadurasmosca 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Millones moscamamífero 47 Figura 13. Mapa genómico del BPV-1. Arriba) Versión circular. El círculo interno representa el genoma completo de DNA de doble cadena. 7946/1 indica la posición de la unión del primer y último par de bases que, por convención, se coloca a las 12 hs de un hipotético reloj. Las bases van aumentando hacia la derecha en el sentido de las agujas del reloj. Las líneas curvas externas representan las posiciones de los distintos genes dentro del círculo. Por ejemplo, el gen E6 está codificado entre las bases 1 y 500, aproximadamente, el gen E4 entre las bases 3000 y 3500, etc. Las flechas que se apoyan sobre el círculo indican dos cosas: 1) la posición del sitio donde se inicia la transcripción del gen, 2) el sentido (hacia la derecha o hacia la izquierda) en que se transcriben. Por ejemplo, P890 indica el sitio donde comienza a transcribirse el gen E1; P indica que hay un promotor y 890 es la primer base transcripta para E1. Nótese que todas las flechas señalan hacia la derecha indicando que, en este virus, todos los genes están codificados en la misma cadena del DNA. PL es el promotor para los genes tardíos y LCR (Long Control Region, región de control larga) es una región del genoma viral que no contiene genes pero sí señales para el control de la transcripción y la replicación del DNA. AL y AE (posiciones 7175 y 4203) indican señales de poliadenilación para genes L y E, respectivamente. Adviertase que en muchos casos existe superposición de genes E. Los genes E6 y E7 son particularmente interesantes ya que se asocian con la transformación celular. Abajo) Versión lineal. En la parte inferior se muestra la escala de bases del DNA. Arriba se muestran los genes como bloques con sus límites en número de bases. Como en A, la elección del lugar donde empieza el genoma
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