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 Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/07.0354 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
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 OBVSB/Obecná virologie Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Viry 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 Od struktury k funkci Prof. RNDr. Milan Navrátil, CSc. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
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 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.
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)
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
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)
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 1920-1930 objev bakterifágů (Twort a d Herell) 1925 kultivace živočišných virů vtkáňové 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 viroid 1968 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 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 (48 502 párů bází) 1996 objev kompetentních povrchových receptorů pro vstup HIV do buňky
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
STRUKTURA VIROVÉ ČÁSTICE Fauquet et al (2005): Virus Taxonomy.
STRUKTURA VIROVÉ ČÁSTICE Fauquet et al (2005): Virus Taxonomy.
STRUKTURA VIROVÉ ČÁSTICE Fauquet et al (2005): Virus Taxonomy.
STRUKTURA VIROVÉ ČÁSTICE VIRION je kompletní infekční virová částice. KAPSIDA (PROTEINOVÝ PLÁŠŤ) je proteinový obal virové nukleové kyseliny skládající se ze strukturních jednotek nebo kapsomer. STRUKTURNÍ JEDNOTKY (PROTOMERY) jsou nejmenší funkční ekvivalenty stavebních jednotek proteinového pláště (molekuly proteinů). KAPSOMERY jsou morfologické jednotky pozorovatelné na povrhu částice a často je představují shluky strukturních jednotek. Kapsida (proteinový plášť) společně s uzavřenou nukleovou kyselinou představuje NUKLEOKAPSIDU.
STRUKTURA VIROVÉ ČÁSTICE Virová nukleokapsida může být obalena vnějším lipoproteinovým OBALEM (ENVELOPE), jehož základ pochází z hostitelské buňky, ale může obsahovat i materiál virového původu. Vnější obal se skládá z lipidové dvojvrstvy a transmembránových glykoproteinů, které tvoří výběžky na povrchu virionu. Vnitřní struktura virionu představuje JÁDRO VIRU (dřeň, shell), tvoří je obvykle nukleokapsid, případně vrstva virového membránového proteinu, která nukleokapsid obaluje.
SYMETRIE VIROVÉ ČÁSTICE Helikální Kubická (ikosohedrická)
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) proteinový výčnělek (peplomera); 6) tegument; 7) obal dřeně; 8) laterální tělíska; 9) povrchové tubuly. Příkladem nahé nukleokapsidy jsou viriony pikornavirů nebo parvovirů, příkladem enkapsidované nukleokapsidy jsou částice reovirů, obalené nukleokapsidy 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 proteiny Strukturální proteiny kapsidy a membránové proteiny : Rozpoznávací - kapsomery Interakce s hostitelem Mutace Nestrukturní proteiny
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.
Linda Stannard: http://web.uct.ac.za/depts/mmi/stannard/virarch.html Big Picture Book of Viruses: http://www.virology.net/big_virology/bvhomepage.html Structure/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.shtml Timothy Baker: http://bilbo.bio.purdue.edu/~baker/ Electron Microscopy: http://web.uct.ac.za/depts/mmi/stannard/emimages.html http://www.vir.gla.ac.uk/staff/bhellad/imagearchive.htm
KLASIFIKACE VIRŮ 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
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
KLASIFIKACE VIRŮ 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
TYP A ORGANIZACE VIROVÉHO GENOMU 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
REPRODUKČNÍ STRATEGIE VIRŮ
VELIKOST GENOMU
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.
KLASIFIKACE VIROVÉHO DRUHU sekvenční příbuznost genomů přirozený okruh hostitelů buněčný a tkáňový tropismus patogenita a cytopatologie způsob přenosu antigenní vlastnosti virových proteinů geografické rozšíření
HLAVNÍ TAXONOMICKÁ KRITERIA PRO KLASIFIKACI: řádů, čeledí a rodů typ a organizace virového genomu struktura virionu replikační strategie viru
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, patotyp).