Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Transkript

1 Inovace studia molekulární a buněčné biologie Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

2 OBVSB/Obecná virologie Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

3 Viry Od struktury k funkci Doc. RNDr. Milan Navrátil, CSc. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

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

5

6 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)

7 PRAKTICKÉ ASPEKTY VIROLOGIE 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

8 HISTORIE VIROLOGIE 1500 př.n.l deformované dolní končetiny byly znázorněny na egyptských reliéfech znázorňujících postavy; možné příznaky obrny vyvolané poliovirem 430 př.n.l. první zaznamenaná epidemie chřipky v Aténách 1000 n.l. první epidemie pravých neštovic v Číně; využití variolace 1200 n.l. popsán přenos vztekliny psem na člověka na území dnešního Iráku 1300 n.l. horečnatá choroba, která vyvolala epidemii byla podle astrologických poznatků nazvána chřipkou (influenza/influence) 1798 n.l. objev principu vakcinace (Edward Jenner)

9 HISTORIE VIROLOGIE 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 chřipky objev bakterifágů (Twort a d Herell) 1925 kultivace živočišných virů v tkáňové kultuře (Parker)

10 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)

11 HISTORIE VIROLOGIE 1953 Hershey a Chase prokázali, že nukleová kyselina je nositelem genetické informace virů 1956 Fraenkel-Contrat 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 viroid 1968 Jakobson a Baltimore, translace genomické RNA poliovirů

12 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 neštovic 1977 Sharp a Chow, objev RNA sestřihu při studiu replikace adenovirů 1979 S. Prusiner, objev prionů 1982 výskyt AIDS 1983 izolován původce AIDS, a to HIV-1 virus 1983 publikována první úplná sekvence bakteriofága l ( párů bází) 1996 objev kompetentních povrchových receptorů pro vstup HIV do buňky

13 DEFINICE VIRU Viry jsou submikroskopičtí obligátní intrabuněční parazité obsahující ve své nukleové kyselině komplex genetických informací nezbytných pro reprodukci v hostitelských buňkách. genom schopnost adaptace reprodukce virové funkce nejsou aktivované mimo buňku nejsou schopné uchovávat volnou energii

14 MORFOLOGIE VIROVÉ ČÁSTICE Fauquet et al (2005): Virus Taxonomy.

15 MORFOLOGIE VIROVÉ ČÁSTICE Fauquet et al (2005): Virus Taxonomy.

16 MORFOLOGIE VIROVÉ ČÁSTICE Fauquet et al (2005): Virus Taxonomy.

17 VIRION je kompletní infekční virová částice.. KAPSID (PROTEINOVÝ PLÁŠŤ) je proteinový obal virové nukleové kyseliny. Skládá se ze strukturních jednotek (nebo kapsomer). STRUKTURNÍ JEDNOTKY (PROTOMERY) jsou nejmenší funkční ekvivalenty stavebních jednotek proteinového pláště. KAPSOMERY jsou morfologické jednotky pozorovatelné na povrhu částice a představují je shluky strukturních jednotek. Kapsid (proteinový plášť) společně s uzavřenou nukleovou kyselinou představuje NUKLEOKAPSID.. Virový nukleokapsid může být obalen vnějším OBALEM (ENVELOPE), jehož základ pochází z hostitelské buňky, ale může obsahovat i materiál virového původu..

18 Virová nukleová kyselina je nositelkou genetické informace a představuje genom viru. Asociované funkční proteiny se podílejí na zahájení replikace viru. Tyto enzymy a signální proteiny nemohou být nahrazeny buněčnými proteiny. Strukturální proteiny vytvářejí kapsid, který obaluje virovou nukleovou kyselinu a má následující funkce: rozpoznávací interakce s hostitelem mutace

19 TVAR VIROVÉ ČÁSTICE TYP STRUKTURY VIRU izometrický (sférický) baciliformní tyčkový vláknitý (flexibilní nebo fixní) složený komplexní kubická symetrie neobalený (SV40) obalený (HSV) helikální symetrie neobalený (TMV) obalený (v. chřipky) komplexní (Poxvirus)

20 Linda Stannard: Big Picture Book of Viruses: Structure/Microscopy Labs: Donald Caspar: Stephen Harrison: Michael Rossman: Timothy Baker: Electron Microscopy:

21 VIROVÝ DRUH Virový druh (quasi-species) představuje polytetickou skupinu virů určenou jednotnou vývojovou (replikační) řadou, která se vyskytuje v určité ekologické nice. Členové polytetické skupiny se obvykle vyznačují několika společnými znaky, přičemž ne všechny obecné znaky jsou přítomné v každém jedinci.

22 VIROVÝ DRUH

23 KLASIFIKACE VIROVÉHO DRUHU sekvenční příbuznost genomů přirozený okruh hostitelů buněčný a tkáňový tropismus patogenita a cytopatologie způsob přenosu fyzikálně-chemické vlastnosti virionů antigenní vlastnosti virových proteinů geografické rozšíření

24 HLAVNÍ TAXONOMICKÁ KRITERIA PRO KLASIFIKACI: řádů, čeledí a rodů typ a organizace virového genomu replikační strategie viru struktura virionu

25

26

27 Replikační strategie viru Viz KBB/MBBMI0 Typ a organizace virového genomu RNA nebo DNA jednovláknová nebo dvouvláknová segmentovaná nesegmentovanmá lineární nebo kruhová jednovláknová RNA s funkcí mrna pseudo diploidní genom (retroviry) Struktura virionu symetrie (ikosohedrická, helikální, komplexní) obalený nebo neobalený počet kapsomer

28 ŘÁD - ČELEĎ Řád je reprezentován skupinami virových čeledí stejné obecné charakteristiky, ve které se liší od jiných řádů a čeledí. Čeleď je reprezentována skupinami virových rodů stejné obecné charakteristiky, ve které se liší od jiných čeledí. Pro zařazení do řádu a čeledí jsou rozhodující morfologie virionu, typ a struktura genomu (typ nukleové kyseliny) a replikační strategie.

29 NIŽŠÍ JEDNOTKY NEŽ DRUH 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 se rozlišuje na základě sérologických vlastností viru patotyp se odlišuje průběhem patogeneze elektroforetotypy se liší elektromigračními vlastnostmi virionů

30 Morfologické vlastnosti (struktura virionu) Velikost virionu Tvar virionu Jeden nebo více morfologických typů virionů Přítomnost nebo absence vnějších obalů Symetrie kapsomery a její struktura Fyzikálně-chemické a fyzikální vlastnosti virionu Molekulová váha virionu Hustota virionu Sedimentační koeficient virionu Stabilita viru: ph stabilita, teplotní stabilita, přítomnost kationtů (Mg 2+, Mn 2+ ), organická rozpouštědla, detergenty, radiace

31 Vlastnosti genomu Typ nukleové kyseliny - RNA/DNA Velikost genomu nebo jeho jednotlivých segmentů Jednovláknová/dvouvláknová nukleová kyselina Lineární/cirkulární genom Smysl nukleové kyseliny, sense/antisense (+/- NK) Segmentovaný genom (počet a velikost segmentů) Sekvence nukleotidů Přítomnost repetitivních sekvencí Izomerizace Poměr G+C párů bazí Přítomnost nebo absence čepičky na 5 -konci Přítomnost nebo absence kovalentně vázaného polypeptidu na 5 -konci Přítomnost nebo absence poly(a) sekvence na 3 -konci (nebo jiné specifické sekvence)

32 Organizace genomu a replikační strategie Organizace genomu Replikační strategie nukleové kyseliny Počet a umístění ORF (otevřený čtecí rámec) Charakteristika transkripce Charakteristika translace a post-translační úpravy Lokalizace a akumulace virových proteinů, místo skládání a shromažďování virionů a jejich uvolnění Cytopatologie, inkluze

33

34 Vlastnosti proteinů Počet, velikost a funkční aktivity strukturálních proteinů Počet, velikost a funkční aktivity ne-strukturálních proteinů. Funkční aktivity proteinů (virová transkriptáza, reverzní transkriptasa, hemaglutinin, neuraminidasa) Sekvence aminokyselin Glykosylace, fosforylace, metylace Antigenní vlastnosti Sérologické vztahy mezi viry Mapování epitopů

35 CHEMICKÉ SLOŽENÍ VIRIONU Nukleové kyseliny Proteiny Tuky Přítomnost nebo absence lipidů Původ a charakteristika lipidů Cukry Přítomnost nebo absence cukrů Původ a charakteristika cukrů Ionty kovů Další molekuly: H 2 O.

36 Biologické vlastnosti Okruh hostitelů, přirození a experimentální hostitelé Patogenita, asociace s chorobou Tkáňový tropismus, patologie, histopatologie Přirozený způsob přenosu Vztah k vektoru Zeměpisné rozšíření