Wirusy (biologia)

Article

August 17, 2022

Wirus to mały kawałek materiału organicznego, który może się rozmnażać tylko w komórkach żywych istot. Kiedy wirus zaatakuje żywą komórkę, ta komórka – tak zwana komórka gospodarza – zacznie wytwarzać tysiące kopii oryginalnego wirusa. Wirusy infekują wszystkie formy życia, od zwierząt i roślin po mikroorganizmy, takie jak bakterie i archeony. Występują we wszystkich ekosystemach i są bardzo liczne w glebie, powietrzu i wodzie. Nauka badająca wirusy nazywa się wirusologią, poddziedziną mikrobiologii. Wirusy mają stosunkowo prostą strukturę. Pojedyncza cząsteczka wirusa nazywana jest wirionem i zawiera wewnątrz materiał genetyczny. Składa się z długiej cząsteczki DNA lub RNA, która zawiera instrukcje tworzenia białek.Wirus zawsze ma płaszcz białkowy, kapsyd, który otacza i chroni materiał genetyczny. W niektórych przypadkach obecna jest zewnętrzna otoczka lipidowa, zwana otoczką. Większość wirusów jest tak małych, że nie można ich zobaczyć pod mikroskopem świetlnym; są około stu razy mniejsze niż większość bakterii. Wirusy rozprzestrzeniają się na różne sposoby, na przykład poprzez wydychane aerozole lub wektory, takie jak komary i kleszcze. Aby wyeliminować inwazyjne wirusy, kręgowce mają złożony system obronny. Niektóre wirusy, które są niebezpieczne dla ludzi, takie jak wirusy opryszczki lub HIV, mogą wydostać się z układu odpornościowego. Opracowano różne szczepionki zapobiegające infekcjom wirusowym.Skuteczne strategie szczepień wyeliminowały obecnie niektóre znane choroby wirusowe. Ewolucyjne pochodzenie wirusów jest niejasne. Prawdopodobnie pochodziły kilkakrotnie z „uciekających” fragmentów DNA lub RNA z żywych organizmów. Nie ma również zgody co do tego, czy same wirusy są żywe. Chociaż posiadają materiał genetyczny i ewoluują, nie mają własnego metabolizmu i nie są w stanie samodzielnie się rozmnażać. Replikacja jest całkowicie zależna od gospodarza. Z tego powodu wirusy zostały opisane jako „organizmy na skraju życia”.Nie ma również zgody co do tego, czy same wirusy są żywe. Chociaż posiadają materiał genetyczny i ewoluują, nie mają własnego metabolizmu i nie są w stanie samodzielnie się rozmnażać. Replikacja jest całkowicie zależna od gospodarza. Z tego powodu wirusy zostały opisane jako „organizmy na skraju życia”.Nie ma również zgody co do tego, czy same wirusy są żywe. Chociaż posiadają materiał genetyczny i ewoluują, nie mają własnego metabolizmu i nie są w stanie samodzielnie się rozmnażać. Replikacja jest całkowicie zależna od gospodarza. Z tego powodu wirusy zostały opisane jako „organizmy na skraju życia”.

Historia

Zasady wirusologii sięgają końca XIX wieku. W 1883 roku Adolf Mayer, niemiecki agronom, odkrył, że może przenosić choroby ze swoich tytoniu poprzez pocieranie zdrowych roślin sokiem z chorych liści. Nie udało mu się znaleźć zakaźnego patogenu, co sugeruje, że choroba została wywołana przez bardzo małe bakterie, które były niewidoczne pod mikroskopem. Hipotezę tę przetestował dekadę później Dmitri Ivanovski, rosyjski biolog, który przepuścił sok z zainfekowanych roślin tytoniu przez specjalny filtr przeznaczony do wychwytywania bakterii. Nawet po filtracji sok nadal był zakaźny dla roślin tytoniowych.W 1898 roku holenderski mikrobiolog Martinus Beijerinck powtórzył eksperymenty i doszedł do wniosku, że filtrat musi zawierać nowy rodzaj patogenu. Odkrył, że patogen może namnażać się tylko w żywych komórkach. W późniejszych eksperymentach Beijerinck wykazał, że przyczyną choroby tytoniu nie można było uprawiać na pożywce. Postawił hipotezę, że jest to replikująca się cząstka znacznie mniejsza i prostsza niż bakteria i ukuł termin wirus. Beijerinck jest uważany za jednego z najważniejszych twórców wirusologii.Podejrzenia Beijerincka potwierdziły się w 1935 roku, kiedy Amerykanin Wendell Stanley odkrył zakaźną cząsteczkę, dziś znaną jako wirus mozaiki tytoniu,skrystalizował i dalej opisał jego właściwości. Niedługo potem wynaleziono mikroskop elektronowy i po raz pierwszy można było uwidocznić wirusy. Stało się jasne, że wirusy otoczone są warstwą białek i podobnie jak rośliny i zwierzęta posiadają kwas nukleinowy, w którym przechowywana jest informacja genetyczna.Od drugiej połowy XX wieku odkryto tysiące nowych wirusów. Większość badań przeprowadzono na bakteriofagach, ale wielu wirusom roślinnym i zwierzęcym nadano również nazwy i opisy. Dzięki nowym metodom uprawy wyjaśniono różne aspekty medyczne. W 1963 wirus zapalenia wątroby typu B został odkryty przez Barucha Blumberga, aw 1965 Howard Martin Temin opisał pierwszy retrowirus. Enzym odwrotnej transkryptazy, którego retrowirusy używają do samokopiowania,został odkryty w 1970 roku. W 1983 roku zespół Luca Montagniera po raz pierwszy wyizolował retrowirusa znanego obecnie jako HIV. Pomimo coraz większej wiedzy, pojawiające się wirusy nadal wymagają uwagi nauki i społeczeństwa.

Mikrobiologia

Nieruchomości

Wirusy są samodzielną grupą czynników biologicznych. Charakteryzują się przede wszystkim zakaźnym charakterem: aby się rozmnażać, wirusy są zmuszane do wnikania do komórek żywiciela – takiego jak roślina, zwierzę, grzyb czy bakteria. Zainfekowana komórka gospodarza będzie wytwarzać nowe cząsteczki wirusa na podstawie wirusowego materiału genetycznego. Podczas infekcji dochodzi do uszkodzenia procesów komórkowych i może dojść do uszkodzenia komórek. W wielu przypadkach następują po nich pewne objawy, tak że wirusy często są określane jako patogeny.Od początku XX wieku toczy się dyskusja na temat tego, czy wirusy należy traktować jako formę życia, czy jako nieożywione struktury organiczne.Wirusy wykazują kilka cech przypominających pełnoprawne życie: posiadają geny kodujące białka, ewoluują poprzez dobór naturalny i rozmnażają się poprzez replikację i samoorganizację. Z tego powodu wirusy zostały opisane jako „organizmy na skraju życia”. Z drugiej strony wirusy nie mają własnego metabolizmu. Wydobywają z gospodarza całą energię i cząsteczki niezbędne do ich namnażania. Wyizolowany wirus jest biologicznie obojętny. Akceptowane formy życia również zawsze składają się z jednej lub więcej komórek. Brak metabolizmu i struktury komórkowej oznacza, że ​​wirusy są zazwyczaj wykluczone z żywych mikroorganizmów.ewoluują poprzez dobór naturalny i rozmnażają się poprzez replikację i samoorganizację. Z tego powodu wirusy zostały opisane jako „organizmy na skraju życia”. Z drugiej strony wirusy nie mają własnego metabolizmu. Wydobywają z gospodarza całą energię i cząsteczki niezbędne do ich namnażania. Wyizolowany wirus jest biologicznie obojętny. Akceptowane formy życia również zawsze składają się z jednej lub więcej komórek. Brak metabolizmu i struktury komórkowej oznacza, że ​​wirusy są zazwyczaj wykluczone z żywych mikroorganizmów.ewoluują poprzez dobór naturalny i rozmnażają się poprzez replikację i samoorganizację. Z tego powodu wirusy zostały opisane jako „organizmy na skraju życia”. Z drugiej strony wirusy nie mają własnego metabolizmu. Wydobywają z gospodarza całą energię i cząsteczki niezbędne do ich namnażania. Wyizolowany wirus jest biologicznie obojętny. Akceptowane formy życia również zawsze składają się z jednej lub więcej komórek. Brak metabolizmu i struktury komórkowej oznacza, że ​​wirusy są zazwyczaj wykluczone z żywych mikroorganizmów.Z drugiej strony wirusy nie mają własnego metabolizmu. Wydobywają z gospodarza całą energię i cząsteczki niezbędne do ich namnażania. Wyizolowany wirus jest biologicznie obojętny. Akceptowane formy życia również zawsze składają się z jednej lub więcej komórek. Brak metabolizmu i struktury komórkowej oznacza, że ​​wirusy są zazwyczaj wykluczone z żywych mikroorganizmów.Z drugiej strony wirusy nie mają własnego metabolizmu. Wydobywają z gospodarza całą energię i cząsteczki niezbędne do ich namnażania. Wyizolowany wirus jest biologicznie obojętny. Akceptowane formy życia również zawsze składają się z jednej lub więcej komórek. Brak metabolizmu i struktury komórkowej oznacza, że ​​wirusy są zazwyczaj wykluczone z żywych mikroorganizmów.

Struktura

Wirusy są bardzo małe. Średnica wynosi zwykle od 20 do 300 nanometrów, czyli jest około stu razy mniejsza niż większość bakterii. Struktura zewnętrzna (morfologia) jest zróżnicowana. Większości wirusów nie można zobaczyć pod mikroskopem świetlnym: naukowcy używają mikroskopów elektronowych, aby odkryć ich strukturę. Aby zwiększyć kontrast między cząsteczkami wirusa a tłem, cząsteczki wirusa są barwione roztworami metali ciężkich, takich jak wolfram, które rozpraszają elektrony. Rozproszone elektrony są zbierane przez detektor, dzięki czemu cząsteczka wirusa jest śledzona cyfrowo.Cała cząsteczka wirusa, występująca poza komórką gospodarza, nazywana jest wirionem. Składa się z kwasu nukleinowego otoczonego ochronnym płaszczem białkowym, kapsydem.Kapsyd składa się z kilku identycznych podjednostek (kapsomerów). Niektóre wirusy mają wokół siebie otoczkę lipidową. Kapsyd jest kodowany przez genom wirusa, a jego kształt określa morfologiczną różnicę między gatunkami wirusa. Kapsyd jest stosunkowo sztywny i może być badany mechanicznie za pomocą mikroskopii sił atomowych. Rozróżnia się w szerokim zakresie cztery morfologie: Wirusy Helical Helical składają się z jednego typu kapsomerów nawiniętych wokół osi centralnej w długą, spiralną strukturę. Materiał genetyczny (zwykle jednoniciowy RNA) jest stabilizowany w obrębie helisy białkowej poprzez interakcje między ujemnie naładowanym kwasem nukleinowym a dodatnio naładowanymi białkami. Długość kapsydu jest proporcjonalna do długości cząsteczki kwasu nukleinowego;szerokość zależy od wielkości i rozmieszczenia kapsomerów. Wirus mozaiki tytoniu jest przykładem wirusa helikalnego. Dwudziestościan Większość wirusów infekujących zwierzęta ma kształt dwudziestościanu (regularne dwudziestki). Dwudziestościan to najkorzystniejszy sposób na uformowanie stabilnej, zamkniętej skorupy z identycznych kapsomerów. Minimalna wymagana liczba kapsomerów to dwanaście, z których każdy składa się z pięciu identycznych podjednostek. Wiele wirusów, takich jak rotawirus, ma więcej niż tuzin kapsomerów, co sprawia, że ​​mają prawie kulisty kształt Otoczone otoczką Niektóre gatunki wirusów są otoczone otoczką zewnętrzną, otoczką wirusa, składającą się z dwuwarstwy lipidowej. Ta otoczka nie jest wytwarzana przez samego wirusa, ale pochodzi z błony komórkowej gospodarza.Dobrze znanymi przykładami wirusów otoczkowych są wirusy grypy, HIV i koronawirusy. Kiedy otoczka zostaje zniszczona (np. przez mydło), wirion zwykle staje się nieaktywny.Złożony Złożone wirusy mają kapsyd, który składa się zarówno z helisy, jak i dwudziestościanu i często ma dodatkowe struktury, takie jak ogony białkowe lub złożona ściana zewnętrzna. Szczególnie bakteriofagi wykazują tak złożoną strukturę: wirusy te mają dwudziestościenną głowę połączoną ze spiralnym ogonem, sześciokątną podstawę i kilka wystających włókien białkowych (nogi). Ich „ciało” działa jak molekularna strzykawka. Fag przyczepia się do gospodarza bakteryjnego nogami, a następnie wstrzykuje do środka swój genom.Wirusy odbiegające od tych powszechnych morfologii obejmują pokswirusa i mimiwirusa. Wirus ospy zawiera strukturę w kształcie dysku, nukleoid, w którym przechowywany jest materiał genetyczny. Wokół tego jest wewnętrzna membrana. Wirus ospy jest pleomorficzny i może przybierać kształty owalne lub prostokątne. Mimiwirus to gigantyczny wirus; kapsyd ma szerokość ponad 400 nm i włóknistą powierzchnię. Gigantyczne wirusy są tak duże, że niektóre gatunki początkowo mylono z bakteriami. Mimiwirus ma niezwykle duży genom, który zawiera geny, które kodują nawet podstawowy metabolizm. Mikrofotografie elektronowe cząsteczek wirusa uwolnionych z komórekgdzie przechowywany jest materiał genetyczny. Wokół tego jest wewnętrzna membrana. Wirus ospy jest pleomorficzny i może przybierać kształty owalne lub prostokątne. Mimiwirus to gigantyczny wirus; kapsyd ma szerokość ponad 400 nm i włóknistą powierzchnię. Gigantyczne wirusy są tak duże, że niektóre gatunki początkowo mylono z bakteriami. Mimiwirus ma niezwykle duży genom, który zawiera geny, które kodują nawet podstawowy metabolizm. Mikrofotografie elektronowe cząsteczek wirusa uwolnionych z komórekgdzie przechowywany jest materiał genetyczny. Wokół tego jest wewnętrzna membrana. Wirus ospy jest pleomorficzny i może przybierać kształty owalne lub prostokątne. Mimiwirus to gigantyczny wirus; kapsyd ma szerokość ponad 400 nm i włóknistą powierzchnię. Gigantyczne wirusy są tak duże, że niektóre gatunki początkowo mylono z bakteriami. Mimiwirus ma niezwykle duży genom, który zawiera geny, które kodują nawet podstawowy metabolizm. Mikrofotografie elektronowe cząsteczek wirusa uwolnionych z komórekkapsyd ma szerokość ponad 400 nm i włóknistą powierzchnię. Gigantyczne wirusy są tak duże, że niektóre gatunki początkowo mylono z bakteriami. Mimiwirus ma niezwykle duży genom, który zawiera geny, które kodują nawet podstawowy metabolizm. Mikrofotografie elektronowe cząsteczek wirusa uwolnionych z komórekkapsyd ma szerokość ponad 400 nm i włóknistą powierzchnię. Gigantyczne wirusy są tak duże, że niektóre gatunki początkowo mylono z bakteriami. Mimiwirus ma niezwykle duży genom, który zawiera geny, które kodują nawet podstawowy metabolizm. Mikrofotografie elektronowe cząsteczek wirusa uwolnionych z komórek

Genom

Materiał genetyczny (genom) wirusów jest niezwykle zróżnicowany i zmienny. Wirusy wykazują większą różnorodność w strukturze genomu niż wszystkie rośliny, zwierzęta, archeony czy bakterie razem wzięte. Najmniejsze wirusy mają tylko trzy geny, największe mają setki lub tysiące. Znane są miliony różnych typów wirusów, ale tylko kilka tysięcy zostało szczegółowo opisanych. Od początku XXI wieku rozpędu nabrało sekwencjonowanie wirusów. W 2020 r. baza danych NCBI zawierała ponad 190 000 kompletnych sekwencji genomu. Wszystkie żywe istoty na Ziemi mają genom składający się z dwuniciowego DNA. Wirusy omijają to prawo: ich genomy składają się z DNA lub RNA i występują w konfiguracji dwuniciowej lub jednoniciowej.Większość wirusów RNA jest jednoniciowych, a większość wirusów DNA jest dwuniciowych, ale są wyjątki. Genom wszystkich wirusów, które są medycznie istotne dla ludzi, został zsekwencjonowany i w dużej mierze opatrzony adnotacjami. Genom wirusowy może być liniowy lub kolisty. Genomy liniowe mają dwa końce, podobnie jak ludzkie chromosomy. Genom kołowy jest zamkniętym pierścieniem i ma większą stabilność. W przypadku niektórych wirusów genom jest podzielony na kilka oddzielnych części, które działają niezależnie. Takie genomy nazywane są segmentowanymi. W segmentowanych wirusach RNA każdy segment często koduje jedno białko. Czasami segmenty występują w różnych wirionach Jednoniciowe genomy wirusowe mogą być sensowne (dodatnie) lub antysensowne (ujemne), w zależności od ich sekwencji nukleotydowej.W dodatnim jednoniciowym wirusie RNA genom może działać bezpośrednio jako mRNA. W przeciwieństwie do tego genom negatywnego jednoniciowego wirusa RNA jest komplementarny do mRNA. W przypadku tych wirusów genom musi najpierw zostać przekształcony w kopię, zanim będzie gotowy do translacji.

Mutacja genetyczna

Wirusy znane są z wysokiego tempa mutacji i szybkiej ewolucji. Materiał genetyczny wirusów jest zwykle bardziej niestabilny niż organizmów żywych, co oznacza, że ​​ich geny zmieniają się szybciej. Zmiany w materiale genetycznym wirusa mogą prowadzić do zmian w białkach wirusowych, takich jak struktura kapsydu. Ostatecznie mutacje wpływają na właściwości wirusa (np. infekcyjność lub zjadliwość). Wysoka częstotliwość mutacji wirusów wynika z ich niekontrolowanego trybu replikacji. Błędy występujące podczas replikacji nie są korygowane w przypadku wielu wirusów. W rezultacie wirusy naturalnie tworzą wysoce niejednorodne populacje zawierające tysiące wariantów, zjawisko znane jako quasi-gatunki.Wirusy, takie jak grypa, zmieniają swój materiał genetyczny w oparciu o dwa różne mechanizmy ewolucyjne: dryf antygenowy i przesunięcie antygenowe. Dryf antygenowy to proces, w którym małe mutacje (mutacje punktowe) pod wpływem presji selekcyjnej gromadzą się w genomie w czasie, tak że stopniowo pojawiają się nowe właściwości. Zdecydowana większość mutacji nie wpływa na funkcję białek, ale niektóre zapewniają wirusowi przewagę ewolucyjną. Dryf antygenowy może spowodować, że wirusy rozwiną oporność na środek przeciwwirusowy lub wymkną się z układu odpornościowego.Czasami dwa kawałki materiału genetycznego z dwóch różnych wirusów są mieszane w celu utworzenia nowego genomu poprzez rekombinację lub reasortację. Ponieważ istnieje zupełnie nowa kombinacja materiału genetycznego,tworzy nowy typ wirusa. Ten proces nazywa się przesunięciem antygenowym. W rzadkich przypadkach pandemia może powstać w wyniku zmiany antygenowej. Rekombinacja jest szczególnie łatwa w przypadku wirusów z segmentowanym genomem. Segmenty genomu tych wirusów mogą się rekombinować, tworząc „potomstwo” o nowych, unikalnych cechach. Rekombinacja występuje zarówno w wirusach RNA, jak i DNA.

Replikacyklus

Cząstka wirusa nie może się sama rozmnażać. Aby się rozmnażać (replikować), wirus jest zmuszony do korzystania z metabolizmu i maszynerii żywej komórki gospodarza. Infekcja wirusowa zaczyna się od przyczepienia się wirionu do powierzchni komórki gospodarza. Cząstka wirusa następnie wprowadza swój DNA lub RNA do komórki gospodarza. W rezultacie komórka jest zaprogramowana do tworzenia setek, a nawet tysięcy kopii oryginalnego wirusa. Po skopiowaniu materiału genetycznego i utworzeniu białek kapsydu spontanicznie łączą się one w nowe wiriony. Uwolnione zostają tysiące wirionów, które mogą infekować nowe komórki. Cykl replikacji składa się z pięciu głównych etapów: Załącznik. Wirion przylega do powierzchni odpowiedniej komórki gospodarza.Białka znajdujące się na kapsydzie oddziałują z białkami komórki gospodarza. Tylko przy silnej interakcji ma miejsce przywiązanie. Internalizacja. Wprowadzany jest materiał genetyczny. W komórkach zwierzęcych cały wirion wejdzie do komórki gospodarza. W komórkach ze ścianą komórkową (rośliny i bakterie) genom jest zwykle wstrzykiwany, podczas gdy kapsyd pozostaje na zewnątrz. Synteza. Płaszcz białkowy rozpada się, a materiał genetyczny zostaje uwolniony do cytoplazmy. Uwolniony materiał genetyczny będzie kopiowany w komórce (replikacja) i tłumaczony przez rybosomy na białka wirusowe (translacja). Montaż. Skopiowany materiał genetyczny jest pakowany do nowych wirionów z nowymi białkami kapsydu. Ten proces montażu jest spontaniczny. Uwolnienie.Wiriony opuszczają komórkę przez rozszczepienie lub lizę. Po skróceniu wirus jest otoczony niewielką częścią błony żywiciela. Podczas lizy komórka pęka, uwalniając jednocześnie wszystkie wiriony.

Replikacja wirusów zwierzęcych

Ważnym aspektem w zakażaniu ludzi lub zwierząt jest obecność otoczki wirusa. Wiele wirusów zwierzęcych, zwłaszcza wirusów RNA, jest otoczonych dwuwarstwą lipidową (kopertą). W otoczce zakotwiczone są wystające glikoproteiny, które oddziałują z receptorami na komórce gospodarza. Po przyłączeniu wirion jest wychwytywany przez endocytozę. Synteza glikoprotein wirusowych odbywa się w retikulum endoplazmatycznym i aparacie Golgiego. Stamtąd białka są transportowane na zewnątrz błony komórkowej. Nowe wiriony opuszczą następnie komórkę, zamykając wokół siebie część błony komórkowej, w tym glikoproteiny wirusowe (zatykanie). Niektóre wirusy nie czerpią otoczki z błony komórkowej, ale z błony jądrowej lub aparatu Golgiego.Tak jest na przykład w przypadku wirusów opryszczki.Najbardziej złożony cykl replikacji występuje w grupie wirusów RNA zwanych retrowirusami. Wirusy te mają specjalny enzym zwany odwrotną transkryptazą. Enzym ten może syntetyzować cząsteczkę DNA na podstawie matrycy RNA. Kiedy retrowirus infekuje komórkę, odwrotna transkryptaza wytworzy wirusową cząsteczkę DNA. Ta pojedyncza cząsteczka DNA integruje się z jednym z chromosomów gospodarza. Wirusowy DNA jest w rzeczywistości częścią genomu gospodarza i będzie wyrażany przez komórkę. Medyczne znaczenie ma retrowirus HIV, który powoduje AIDS. Cykl replikacji HIV jest wzorcowy dla wszystkich retrowirusów.Najbardziej złożony cykl replikacji występuje w grupie wirusów RNA zwanych retrowirusami. Wirusy te mają specjalny enzym zwany odwrotną transkryptazą. Enzym ten może syntetyzować cząsteczkę DNA na podstawie matrycy RNA. Kiedy retrowirus infekuje komórkę, odwrotna transkryptaza wytworzy wirusową cząsteczkę DNA. Ta pojedyncza cząsteczka DNA integruje się z jednym z chromosomów gospodarza. Wirusowy DNA jest w rzeczywistości częścią genomu gospodarza i będzie wyrażany przez komórkę. Medyczne znaczenie ma retrowirus HIV, który powoduje AIDS. Cykl replikacji HIV jest wzorcowy dla wszystkich retrowirusów.Najbardziej złożony cykl replikacji występuje w grupie wirusów RNA zwanych retrowirusami. Wirusy te mają specjalny enzym zwany odwrotną transkryptazą. Enzym ten może syntetyzować cząsteczkę DNA na podstawie matrycy RNA. Kiedy retrowirus infekuje komórkę, odwrotna transkryptaza wytworzy wirusową cząsteczkę DNA. Ta pojedyncza cząsteczka DNA integruje się z jednym z chromosomów gospodarza. Wirusowy DNA jest w rzeczywistości częścią genomu gospodarza i będzie wyrażany przez komórkę. Medyczne znaczenie ma retrowirus HIV, który powoduje AIDS. Cykl replikacji HIV jest wzorcowy dla wszystkich retrowirusów.Enzym ten może syntetyzować cząsteczkę DNA na podstawie matrycy RNA. Kiedy retrowirus infekuje komórkę, odwrotna transkryptaza wytworzy wirusową cząsteczkę DNA. Ta pojedyncza cząsteczka DNA integruje się z jednym z chromosomów gospodarza. Wirusowy DNA jest w rzeczywistości częścią genomu gospodarza i będzie wyrażany przez komórkę. Medyczne znaczenie ma retrowirus HIV, który powoduje AIDS. Cykl replikacji HIV jest wzorcowy dla wszystkich retrowirusów.Enzym ten może syntetyzować cząsteczkę DNA na podstawie matrycy RNA. Kiedy retrowirus infekuje komórkę, odwrotna transkryptaza wytworzy wirusową cząsteczkę DNA. Ta pojedyncza cząsteczka DNA integruje się z jednym z chromosomów gospodarza. Wirusowy DNA jest w rzeczywistości częścią genomu gospodarza i będzie wyrażany przez komórkę. Medyczne znaczenie ma retrowirus HIV, który powoduje AIDS. Cykl replikacji HIV jest wzorcowy dla wszystkich retrowirusów.Medyczne znaczenie ma retrowirus HIV, który powoduje AIDS. Cykl replikacji HIV jest wzorcowy dla wszystkich retrowirusów.Medyczne znaczenie ma retrowirus HIV, który powoduje AIDS. Cykl replikacji HIV jest wzorcowy dla wszystkich retrowirusów.

Replikacja bakteriofagów

Wiele podstawowych zasad wirusologii — w szczególności mechanizmów replikacji wirusów — zostało odkrytych podczas badań bakteriofagów, wirusów zakażających bakterie. Bakteriofagi i niektóre inne wirusy wykorzystują do namnażania się dwa charakterystyczne cykle replikacji: cykl lityczny i cykl lizogenny. Cykl lityczny charakteryzuje się końcowym etapem infekcji, w którym komórka bakteryjna ulega lizie (rozrywa się), podczas gdy fagi są uwalniane. Takie fagi mogą zniszczyć całą kolonię bakterii w ciągu kilku godzin. Jednak większość bakteriofagów współistnieje ze swoim gospodarzem w cyklu lizogennym. Cykl ten umożliwia fagowi replikację bez zabijania komórki gospodarza. Genom faga integruje się z chromosomem bakterii i jest w ten sposób przekazywany do komórek potomnych.W pewnym momencie wirus może się uwolnić i aktywować cykl lityczny.

Zakres hostów

Wirusy znane są ze wszystkich form życia. Rośliny, zwierzęta, grzyby i mikroorganizmy mogą zostać zakażone wirusem. Większość wirusów specjalizuje się w ograniczonej liczbie hostów. Interakcje między kapsydem wirusa a receptorami w komórce zapewniają, że wirus może przyłączyć się tylko do określonej komórki gospodarza. Przypuszczalnie te receptory są pozostałościami ewolucyjnymi; utraciły swoją funkcję, ale później zostały przejęte przez wirusy w celu infekcji.Niektóre wirusy mają szeroki zakres gospodarzy. Na przykład wirus Zachodniego Nilu może infekować komary, ptaki, konie i ludzi. Inne wirusy mają znacznie węższy zakres gospodarzy i są zaraźliwe tylko dla jednego konkretnego gatunku. Na przykład wirus odry jest całkowicie wyspecjalizowany dla gatunku ludzkiego.Ponadto infekcja wirusowa często ogranicza się do określonego typu tkanki. Na przykład wirus przeziębienia atakuje tylko komórki nabłonka dróg oddechowych, a HIV wiąże się tylko z receptorami znajdującymi się na niektórych komórkach odpornościowych.

Choroby wirusowe u ludzi

Wirusy są przyczyną wielu różnych chorób człowieka. Przykłady znanych wirusowych chorób zakaźnych obejmują przeziębienie, grypę, ospę wietrzną i opryszczkę wargową. Poważniejsze choroby, takie jak wścieklizna, Ebola, AIDS, ptasia grypa i SARS, również mają etiologię wirusową. Stopień, w jakim wirus choruje swojego gospodarza, nazywa się jego zjadliwością. Zjadliwość gatunku zwykle zależy od kilku cech i może z czasem wzrastać poprzez nabywanie genów zjadliwości. Objawy infekcji wirusowych mogą pojawiać się na różne sposoby. Wirusy lizujące rozrywają komórkę podczas replikacji do tego stopnia, że ​​komórka obumiera i rozpada się. W organizmach wielokomórkowych prowadzi to do uszkodzenia tkanek, a być może nawet niewydolności narządów.Oprócz bezpośredniej śmierci komórki, infekcja wirusowa może również wywołać nadmierną odpowiedź immunologiczną. Następnie organizm uwalnia zbyt wiele przeciwciał, stymulujących stan zapalny cytokin lub białek dopełniacza, uszkadzając własne komórki organizmu i powodując objawy gorączki.Chociaż wirusy mogą zakłócać zdrowie organizmu, istnieje również wiele gatunków, które współistnieją z gospodarzem niewykryte. Dobrze znanym przykładem jest wirus opryszczki pospolitej, który może krążyć w ludzkim ciele przez wiele miesięcy w stanie uśpienia. Zjawisko to nazywane jest latencją i występuje również w przypadku innych wirusów opryszczki, w tym wirusa Epsteina-Barra, który powoduje mononukleozę, oraz wirusa ospy wietrznej i półpaśca, który powoduje ospę wietrzną i półpasiec. W rzadkich przypadkach utajony wirus może być korzystny dla gospodarza,ponieważ wirus wzmacnia układ odpornościowy.

Epidemiologia i epidemie wirusów

Epidemos (z greckiego: Epidemos powszechne wśród ludzi) bada występowanie i rozprzestrzenianie się chorób w populacjach. Epidemiolodzy zbierają dane ilościowe o chorobie i starają się prześledzić jej determinanty. Epidemiologia wirusów ma na celu znalezienie sposobów na mapowanie i powstrzymanie rozprzestrzeniania się wirusów. Korzystając z modeli statystycznych, epidemiolodzy mogą przewidzieć skutki interwencji, takich jak szczepienia, leczenie grupowe, badania przesiewowe i środki izolacji.Głównym mechanizmem rozprzestrzeniania się wirusów w populacjach jest przenoszenie poziome, przenoszenie z człowieka na człowieka. Przenoszenie poziome następuje z fizycznym kontaktem i wymianą płynów ustrojowych.Obejmuje to również wydychane aerozole zawierające cząstki wirusa i wektory zwierzęce (komary, pchły i kleszcze), które przenoszą wirusa od żywiciela do żywiciela. Charakterystyczne dla wirusów jest to, że często specjalizują się w określonej drodze transmisji. Szybkość przenoszenia infekcji wirusowych zależy od takich czynników, jak gęstość zaludnienia, odsetek osób podatnych, jakość opieki zdrowotnej i pora roku.Epidemiolodzy szukają sposobów na przerwanie łańcucha infekcji podczas epidemii wirusa. Pierwszym krokiem jest znalezienie źródła epidemii i zidentyfikowanie wirusa. Gdy znany jest szczep wirusa, łańcuch przenoszenia można przerwać, budując odporność stada, najlepiej poprzez szczepienie. Dopóki nie zostanie opracowana szczepionka,warunki sanitarne i dezynfekcja mają ogromne znaczenie dla ochrony ludzi i ich środowiska przed cząstkami wirusów. Po pewnym okresie inkubacji – czasie między momentem zakażenia a pierwszymi objawami – rozpoczyna się okres zakaźności: czas, w którym zarażona osoba może zarazić inną. Znajomość długości obu okresów jest niezbędna do kontrolowania epidemii.

Epidemie i pandemie

Kiedy bardzo duża liczba osób w populacji, społeczności lub regionie zostaje zarażona, nazywa się to epidemią. Epidemia, która dotyka dużą część świata, nazywana jest pandemią. Niedawne przykłady pandemii obejmują AIDS, świńską grypę i choroby wywołane przez nowe koronawirusy. Wiele czynników ma wpływ na wzrost i spadek chorób wirusowych w społeczeństwie. Oprócz elastyczności genetycznej wirusów ważne są również czynniki społeczno-kulturowe.W XX wieku miały miejsce cztery pandemie wywołane wirusem grypy. Hiszpańska grypa, która w 1918 r. pochłonęła dziesiątki milionów ofiar, była zdecydowanie najbardziej śmiertelna. To, co było niezwykłe w przypadku hiszpańskiej grypy, to fakt, że zdrowi młodzi dorośli również poważnie zachorowali. W przeciwieństwie do innych ognisk grypy,które stanowią zagrożenie przede wszystkim dla osób starszych lub z osłabionym układem odpornościowym. Do filowirusów należy kilka wysoce śmiertelnych szczepów wirusowych. Są to wirusy nitkowate, które wywołują u ludzi gorączkę krwotoczną. Wirus Marburg, odkryty w 1967 roku, przyciągnął uwagę mediów w kwietniu 2005 roku po wybuchu epidemii w Angoli. Wirus Ebola powodował sporadyczne epidemie z wysoką śmiertelnością od 1976 roku, kiedy to został po raz pierwszy zidentyfikowany. Najpoważniejsza epidemia miała miejsce w Afryce Zachodniej w latach 2013-2016. Ciężki ostry zespół oddechowy (SARS) i bliskowschodni zespół oddechowy (MERS) to infekcje dróg oddechowych wywołane przez nowe typy koronawirusów. Wiadomo, że koronawirusy powodują łagodne infekcje u ludzi,więc stosunkowo nieoczekiwana była zjadliwość i szybkie rozprzestrzenianie się infekcji SARS – które spowodowały około 800 zgonów w lipcu 2003 r. Powiązany koronawirus pojawił się w Wuhan w listopadzie 2019 r. Wirus, zwany SARS-CoV-2, szybko rozprzestrzenił się na kontynenty. W różnych częściach świata podjęto surowe środki, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się wirusa. Zamknięto ruch międzynarodowy, zamknięto przestrzenie publiczne i wprowadzono blokady w wielu gęsto zaludnionych miastach.W różnych częściach świata podjęto surowe środki, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się wirusa. Zamknięto ruch międzynarodowy, zamknięto przestrzenie publiczne i wprowadzono blokady w wielu gęsto zaludnionych miastach.W różnych częściach świata podjęto surowe środki, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się wirusa. Zamknięto ruch międzynarodowy, zamknięto przestrzenie publiczne i wprowadzono blokady w wielu gęsto zaludnionych miastach.

Rak

Za rozwój raka odpowiedzialne są różne czynniki dziedziczne i środowiskowe. Wirusy zostały zidentyfikowane (lub przynajmniej uprawdopodobnione) w rozwoju nowotworów od początku XX wieku. Najbardziej znane nowotwory wywoływane przez wirusy to rak wątroby i rak szyjki macicy, wywoływane odpowiednio przez wirus zapalenia wątroby typu B i wirus brodawczaka ludzkiego. Inne wirusy rakotwórcze obejmują na przykład wirus Epsteina-Barra, wirus polioma z komórek Merkela i ludzki wirus opryszczki 8. Mechanizm, za pomocą którego te wirusy powodują raka, został dokładnie zbadany, chociaż niektóre szczegóły nie zostały jeszcze wyjaśnione. Podczas infekcji genom wirusa integruje się z DNA komórki gospodarza. Niektóre geny gospodarza,na przykład geny zaangażowane w cykl komórkowy i maszynerię wzrostu komórek mogą zostać zakłócone. W wyniku złożonego, wieloetapowego procesu zaatakowana komórka w końcu zacznie się dzielić w niekontrolowany sposób i wywołać nowotwór. Częstość występowania nowotworów wirusowych można zapobiegawczo zmniejszyć poprzez szczepienia.

Obrona i walka

układ odpornościowy

Ludzie – podobnie jak wszystkie kręgowce – mają złożony układ odpornościowy do zwalczania infekcji wirusowych. Układy narządów ludzkich są przede wszystkim otoczone gęsto upakowanymi komórkami nabłonkowymi. Komórki te tworzą fizyczną i chemiczną barierę dla patogenów: wytwarzają śluz i wilgoć, które mają działanie drenujące i są bogate w środki przeciwdrobnoustrojowe. W organizmie obecne są również fagocyty: duże białe krwinki, które skanują i oczyszczają ciała obce, w tym wirusy i bakterie. Nabłonek i fagocyty są częścią wrodzonego układu odpornościowego. Wrodzony układ odpornościowy często wystarcza, aby zapobiec infekcji. Kiedy jednak cząsteczka wirusa dostanie się do organizmu i rozmnaża się, nabyty układ odpornościowy uruchamia się,który w szczególności będzie próbował wyeliminować zaatakowane gatunki wirusów. Nabyty układ odpornościowy ma na celu neutralizację zarówno wolnych cząsteczek wirusa, jak i zainfekowanych komórek organizmu. Głównym mechanizmem walki z wolnymi cząsteczkami wirusa jest produkcja przeciwciał (obrona humoralna). Przeciwciała to białka, które są uwalniane do krwiobiegu i mogą specyficznie wiązać się z kapsydem wirusa. Po związaniu wirus nie jest już zakaźny. Ssaki wytwarzają szeroką gamę przeciwciał. IgM i IgG są szczególnie ważne dla neutralizacji wirusów. Wysoki poziom IgG we krwi zwykle wskazuje na odporność. Walka z zakażonymi komórkami odbywa się za pośrednictwem cytotoksycznych komórek T (obrona komórkowa).Komórki ciała zakażone wirusem będą prezentować na swojej błonie antygeny – małe fragmenty białek wirusowych. Kiedy komórka T napotka podejrzany antygen, zostanie zabita i oczyszczona przez specjalne cytotoksyczne komórki T. Obronie komórkowej przed wirusami sprzyjają interferony. Są to substancje podobne do hormonów, które zakłócają replikację wirusa.Wiele wirusów wydaje się mieć wpływ na mechanizmy obronne gospodarza, omijając w ten sposób odpowiedź immunologiczną. Na przykład wirus HIV omija układ odpornościowy, stale zmieniając sekwencję aminokwasową białek kapsydowych (zmienność antygenowa). Odpowiedź immunologiczna gospodarza jest zatem zawsze nieswoista, a wirus powoduje przewlekłą chorobę zakaźną.Inne strategie unikania obejmują hamowanie fagocytozy, ukrywanie prezentacji antygenu, oporność na cytokiny i ucieczkę przed apoptozą.

Zapobieganie i leczenie

Wirus jest całkowicie zależny od metabolizmu i maszynerii komórki gospodarza. Z tego powodu trudno jest opracować ukierunkowane leczenie infekcji wirusowej, które nie szkodzi samemu gospodarzowi. Przecież hamowanie procesów, które są również ważne dla samej komórki gospodarza, szybko prowadzi do efektów toksycznych. Najskuteczniejszym podejściem medycznym do zwalczania chorób wirusowych są szczepienia. Ponadto opracowano również szereg środków przeciwwirusowych, które specyficznie wpływają na procesy wirusowe i hamują cykl replikacji.

Szczepionki

Szczepienia to najskuteczniejsze zastosowanie zasad immunologicznych w opiece zdrowotnej. Szczepionka to substancja, która indukuje ukierunkowaną odpowiedź immunologiczną bez powodowania objawów choroby. Po podaniu zaszczepiony osobnik jest chroniony przed odpowiednim patogenem. Na długo przed odkryciem wirusów szczepienia były stosowane w celu zapobiegania chorobom wirusowym. Stosowanie szczepionek w dużej części populacji doprowadziło na przestrzeni lat do drastycznego spadku zachorowalności (choroby) i śmiertelności (śmierci) na choroby wirusowe, takie jak polio, odra, świnka i różyczka. Ospa i księgosusz zostały zwalczone dzięki szczepieniom, a do produkcji szczepionek wykorzystuje się techniki biotechnologiczne. Klasyczne preparaty szczepionkowe składają się z zabitych lub silnie atenuowanych cząstek wirusa.Dlatego nie są już patogenne, ale zawierają antygeny aktywujące układ odpornościowy. Możliwe jest również przygotowanie szczepionki zawierającej tylko białka kapsydu (szczepionka podjednostkowa). Nowsze technologie o lepszym profilu bezpieczeństwa lub silniejszej odpowiedzi immunologicznej to na przykład szczepionki RNA i szczepionki wektorowe. Szczepionki RNA są odpowiedzialne za syntezę obcych białek (na przykład białek kolczastych), w które może interweniować układ odpornościowy. Szczepionki wektorowe działają na tej samej zasadzie, ale wykorzystują zmodyfikowane cząstki wirusa, które przenoszą materiał genetyczny patogenu do komórek gospodarza.Nowsze technologie o lepszym profilu bezpieczeństwa lub silniejszej odpowiedzi immunologicznej to na przykład szczepionki RNA i szczepionki wektorowe. Szczepionki RNA są odpowiedzialne za syntezę obcych białek (na przykład białek kolczastych), w które może interweniować układ odpornościowy. Szczepionki wektorowe działają na tej samej zasadzie, ale wykorzystują zmodyfikowane cząstki wirusa, które przenoszą materiał genetyczny patogenu do komórek gospodarza.Nowsze technologie o lepszym profilu bezpieczeństwa lub silniejszej odpowiedzi immunologicznej to na przykład szczepionki RNA i szczepionki wektorowe. Szczepionki RNA są odpowiedzialne za syntezę obcych białek (na przykład białek kolczastych), w które może interweniować układ odpornościowy. Szczepionki wektorowe działają na tej samej zasadzie, ale wykorzystują zmodyfikowane cząstki wirusa, które przenoszą materiał genetyczny patogenu do komórek gospodarza.ale użyj zmodyfikowanych cząstek wirusa, które przenoszą materiał genetyczny patogenu do komórek gospodarza.ale użyj zmodyfikowanych cząstek wirusa, które przenoszą materiał genetyczny patogenu do komórek gospodarza.

Leki przeciwwirusowe

Środki przeciwwirusowe to substancje, które zakłócają cykl replikacji wirusów. Większość leków przeciwwirusowych dostępnych na rynku należy do analogów nukleozydów: cząsteczek podobnych do cegiełek DNA, które nieumyślnie włączają wirusy do swojego genomu podczas replikacji. Gdy tylko zostanie wprowadzony analog nukleozydu, polimeryzacja łańcucha ustaje. Materiał genetyczny nie może być już wtedy kopiowany. Przykładami znanych analogów nukleozydów są acyklowir, stawudyna i remdesiwir. Środki przeciwwirusowe mogą również zapobiegać przyłączaniu się do komórki gospodarza lub blokować enzymy wirusowe. Większość inhibitorów wirusów jest skuteczna tylko przeciwko określonym gatunkom, a zatem ma wąskie okno terapeutyczne. przeciwko HIV, wirusowemu zapaleniu wątroby typu B i C,wirusy opryszczki i wirusy grypy, istnieje obecnie obszerny arsenał środków przeciwwirusowych, ale niewiele lub żaden przeciwko wielu innym infekcjom wirusowym. Terapie skojarzone są często stosowane w celu zapobiegania oporności na leki przeciwwirusowe. Przepisywanie kilku inhibitorów wirusów z różnymi celami zwiększa działanie przeciwwirusowe i znacznie zmniejsza ryzyko oporności.

Infekcja innych form życia

wirusy zwierzęce

Wirusy mogą rozmnażać się w wielu różnych gatunkach zwierząt. Zwierzęta żyjące blisko ludzi, takie jak psy, koty i konie, są podatne na poważne infekcje wirusowe. Na przykład parwowirusy mogą powodować śmiertelne choroby u młodych psów lub kotów. Oczywiście wiele wirusów jest również znanych u bezkręgowców, takich jak pszczoła miodna. Większość wirusów współistnieje z żywicielem niewykryta i nie powoduje żadnych objawów chorobowych. Znajomość wirusów zwierzęcych jest również ważna dla zdrowia człowieka. W pewnych okolicznościach mogą rozprzestrzenić się na ludzi (zoonoza) i wywołać epidemię. Wirusy wywołujące choroby odzwierzęce zwykle pochodzą od kręgowców i często są przenoszone przez gryzące stawonogi (arbowirusy).Transmisja odzwierzęca jest przypadkowa i czasami może wystąpić za pośrednictwem żywiciela pośredniego. Wścieklizna jest przykładem odzwierzęcej choroby zakaźnej, która może przeskoczyć bezpośrednio z zarażonego drapieżnika na ludzi.

wirusy roślinne

Znanych jest wiele różnych wirusów roślinnych. W szczególności dobrze zbadano wirusy, które wpływają na uprawy rolne. Wirusy roślinne są przenoszone z rośliny na roślinę przez małe organizmy przenoszące wirusa (wektory). Są to głównie owady, ale niektóre grzyby, nicienie i jednokomórkowe protisty mogą być również wektorami. Gdy zwalczanie wirusowej choroby roślin jest ekonomicznie opłacalne, na przykład w przypadku wieloletnich owoców, często dokonuje się wyboru wytępienia wektora i usunięcia alternatywnych żywicieli, takich jak chwasty.Rośliny mają różne mechanizmy obronne przeciwko wirusom. Powszechnym mechanizmem obronnym jest obecność tak zwanych genów odporności (geny R). Gen R powoduje śmierć komórek wokół zainfekowanego miejsca,aby infekcja się nie rozprzestrzeniała. Efekt jest często widoczny gołym okiem (plamy na warzywach). Zainfekowane komórki roślinne wytwarzają również różne substancje przeciwwirusowe, takie jak kwas salicylowy, tlenek azotu i reaktywne cząsteczki tlenu. Neutralizują one cząsteczki wirusa lub zakłócają ich replikację.

Bakteriofagen

Bakteriofagi, w skrócie fagi, to powszechna i zróżnicowana grupa wirusów, które infekują bakterie. Są niezwykle liczne praktycznie we wszystkich ekosystemach, ale głównie w wodzie. Mililitr wody morskiej zawiera około 250 milionów bakteriofagów; ponad dziesięciokrotnie więcej bakterii. Po przyczepieniu się do ściany komórkowej bakterii fag wstrzykuje swój materiał genetyczny poprzez mechanizm wstrzykiwania. Enzymy wirusa przechodzą przez ścianę komórkową, aby uzyskać dostęp do cytoplazmy. Krótko po zakażeniu, czasami zaledwie po dwudziestu minutach, komórka bakteryjna pęka, uwalniając setki nowo utworzonych cząstek fagowych.Głównym sposobem, w jaki bakterie bronią się przed bakteriofagami, jest wytwarzanie enzymów niszczących wirusowe DNA. Enzymy te, zwane endonukleazami restrykcyjnymi,przeciąć DNA, które bakteriofagi wstrzykują do bakterii. Bakterie zawierają również genialny system, który pozwala im przechowywać fragmenty DNA faga, z którym się stykają, tak aby w przypadku drugiej infekcji mogły blokować replikację poprzez formę interferencji RNA. Mechanizm ten, znany jako CRISPR, jest podobny do nabytej odporności zwierząt.

Klasyfikacja

Wirusy są klasyfikowane w grupy taksonomiczne na podstawie morfologii, struktury genomu i sposobu replikacji. Pierwszy system klasyfikacji wirusów powstał w połowie XX wieku. System ten był zgodny z obecną taksonomią Linneusza dla roślin i zwierząt i obejmował gatunki, rodzaj, rodzinę i porządek. System pozostawał w modzie przez długi czas i był stopniowo ulepszany. W nowoczesnej klasyfikacji wirusów rodzina rang zajmuje ważne miejsce. Rodziny wirusów (rozpoznawalne po sufiksie -viridae) mają na ogół jednakowe właściwości i są zazwyczaj łatwe do odróżnienia, także z medycznego punktu widzenia.W 1966 roku powstał Międzynarodowy Komitet Taksonomii Wirusów (ICTV). ICTV postawiło sobie za cel włączenie,stworzyć taksonomię opartą na konsensusie, która odzwierciedla ewolucję wirusów. Początkowo wysoki wskaźnik mutacji uniemożliwiał ustalenie z całą pewnością odległych relacji między taksonami wirusów. System klasyfikacji Baltimore został zatem wykorzystany jako dodatek do tradycyjnej hierarchii. Od 2018 r. system klasyfikacji ICTV został gruntownie zrewidowany dzięki znacznemu wzrostowi wiedzy na temat wczesnej ewolucji wirusów.dzięki silnemu wzrostowi wiedzy na temat wczesnej ewolucji wirusów, gruntownie zrewidowanej.dzięki silnemu wzrostowi wiedzy na temat wczesnej ewolucji wirusów, gruntownie zrewidowanej.

Klasyfikacja ICTV

Międzynarodowy Komitet Taksonomii Wirusów jest odpowiedzialny za przegląd i ratyfikację zmian w taksonomii wirusów. Bardzo szybkie postępy w sekwencjonowaniu DNA od 2010 roku umożliwiły kompilację systemu taksonomicznego obejmującego pełną różnorodność wirusów. Gdy wyjaśniono kilka podstawowych (wczesnych) relacji ewolucyjnych, w systemie nadano miejsce poziomom taksonomicznym, takim jak gromada, imperium i imperium. W 2020 r. klasyfikacja ICTV składała się z 6 imperiów, 10 królestw, 17 typów, 2 podgatunków, 39 klas, 59 rzędów, 8 podrzędów, 189 rodzin, 136 podrodzin, 2224 rodzajów, 70 podrodzajów i 9110 gatunków. Obecna hierarchia ma następującą strukturę.Imperium (-viria) Imperium (-virae) Fylum (-viricota) Podrodzina (-viricotina) Klasa (-viricetes) Rząd (-virales) Podrodzina (-virineae) Rodzina (-viridae) Podrodzina (-virinae) Płeć (-wirus) Podrodzaj (-wirus) Gatunek

Klasyfikacja Baltimore

Wirusolog i laureat Nagrody Nobla David Baltimore opracował siedmiogrupowy system klasyfikacji w 1971 roku. System umożliwił naukowcom przewidywanie lub wywnioskowanie natury i właściwości molekularnych wirusów w określonej grupie. Wraz z klasyfikacją ICTV, klasyfikacja Baltimore stała się jednym z najczęstszych sposobów klasyfikacji różnorodności wirusów.Klasyfikacja Baltimore opiera się na strukturze genomu i związanym z nim trybie replikacji. Wszystkie wirusy wytwarzają informacyjne RNA podczas replikacji i można to zrobić – w zależności od struktury genomu – w oparciu o siedem różnych mechanizmów. Genom może być jednoniciowy (ss) lub dwuniciowy (ds), zawierać RNA lub DNA i może wykorzystywać odwrotną transkryptazę (RT).Ponadto wirusy ssRNA mogą być sensowne (+) lub antysensowne (–). Tak więc wirusy można podzielić na siedem grup:

Nomenklatura

We wczesnych dniach wirusologii nazwy wirusów pochodziły od ich właściwości patogennych lub ich odkrywcy. Na przykład rodzina wirusów wywołujących choroby wątroby nazywana była Hepadnaviridae (hepar oznacza „wątrobę”). Od wczesnych lat pięćdziesiątych do połowy lat sześćdziesiątych, kiedy to odkryto wiele nowych wirusów, często formułowano nazwy wirusów za pomocą skrótów i inicjałów. Na przykład nazwa Picornaviridae pochodzi od pico i RNA, a Papovaviridae od brodawczaka, poliomy i wakuoli. Współczesna nomenklatura wirusów jest nadzorowana przez ICTV. Nazywanie nowego taksonu podlega kilku zasadom.

Pochodzenie i ewolucja

Pomimo szeroko zakrojonych badań naukowych, wciąż nie wiadomo, jak i kiedy pojawiły się wirusy w trakcie ewolucji. Ponieważ wirusy nie pozostawiają szczątków kopalnych, badania nad ich pochodzeniem i ewolucją opierają się na technikach molekularnych, takich jak sekwencjonowanie. Wirusy prawdopodobnie pojawiły się bardzo wcześnie w ewolucji. Wskazuje na to silne podobieństwo między wirusami, które replikują się w eukariotach, bakteriach i archeonach – trzech domenach życia. Wczesny rozwój wyjaśnia również, dlaczego białka wirusowe w niewielkim stopniu przypominają białka z żywych komórek. Ogólnie rzecz biorąc, zaproponowano trzy główne hipotezy wyjaśniające pochodzenie wirusów: hipotezę ucieczki, hipotezę redukcji i hipotezę koewolucji.Hipoteza ucieczki Większość wirusologów popiera hipotezę, że wirusy są niezależnymi częściami komórkowego DNA lub RNA; kawałki kwasu nukleinowego, które „uciekły” z pierwotnych komórek. Ta hipoteza jest zgodna z faktem, że komórki mogą wymieniać fragmenty materiału genetycznego z sąsiednimi komórkami. Drugą wskazówką do hipotezy ucieczki jest podobieństwo między genomem wirusa a genomem jego gospodarza. Niektóre geny wirusowe są prawie identyczne z genami gospodarza, co może wskazywać na (odległy) związek Hipoteza redukcji Wirusy mogą pochodzić z małych pierwotnych komórek, które pasożytują na większych komórkach. Podczas daleko idącej redukcji pasożytów wszystkie geny, które nie były potrzebne do namnażania się pierwotnej komórki, zostały utracone,tak, że pozostał tylko kwas nukleinowy i niektóre białka. Bakterie pasożytnicze, takie jak Chlamydia, podobnie jak wirusy, mogą rozmnażać się tylko w komórkach gospodarza. Wyraźnie wykazano, że organizmy te utraciły podczas ewolucji cechy, które pozwalały im żyć niezależnie, takie jak części ich metabolizmu.Hipoteza koewolucji Hipoteza ta sugeruje, że wirusy pojawiły się przed lub jednocześnie z pierwszymi komórkami na Ziemi i że wirusy stał się zależny od życia komórkowego na późniejszym etapie. Zgodnie z aktualnymi spostrzeżeniami, życie powstało 3,5 do 4 miliardów lat temu, prawdopodobnie ze świata RNA. Założenie, że życie niekomórkowe poprzedza życie komórkowe,zgadza się z prawdopodobnym faktem, że pierwsze formy życia opierały się wyłącznie na samoreplikujących się cząsteczkach RNA. Istnienie wiroidów wydaje się potwierdzać tę hipotezę.Istnieje kilka problemów z tymi trzema (klasycznymi) hipotezami. Hipoteza ucieczki nie wyjaśnia, w jaki sposób powstały kapsydy i inne struktury wirusowe. Hipoteza redukcji nie wyjaśnia, dlaczego nawet najmniejsze pasożyty komórkowe w żaden sposób nie przypominają dzisiejszych wirusów. Hipoteza koewolucji nie uwzględnia faktu, że wirusy są z definicji zależne od komórek gospodarza. Nowsze analizy z zakresu genomiki i biologii strukturalnej umożliwiły sformułowanie nowych, bardziej zniuansowanych hipotez, które są bardziej zgodne z danymi molekularnymi.Wirusy mają niekonsekwentną historię ewolucyjną,która jest spleciona z ewolucją życia komórkowego. Ślady genów wirusowych zostały znalezione w niektórych współczesnych organizmach, które zostały zintegrowane z DNA przodka gospodarza miliony lat temu. Takie ślady umożliwiają mapowanie wczesnej ewolucji wirusów. Zrozumienie ewolucji wirusów jest skomplikowane, ponieważ prawie na pewno nie są one monofiletyczne: kilka linii powstało niezależnie od siebie. W rezultacie, jak wirusy pasują do uniwersalnego drzewa życia, pozostaje głównym, nierozwiązanym pytaniem.Takie ślady umożliwiają mapowanie wczesnej ewolucji wirusów. Zrozumienie ewolucji wirusów jest skomplikowane, ponieważ prawie na pewno nie są one monofiletyczne: kilka linii powstało niezależnie od siebie. W rezultacie, jak wirusy pasują do uniwersalnego drzewa życia, pozostaje głównym, nierozwiązanym pytaniem.Takie ślady umożliwiają mapowanie wczesnej ewolucji wirusów. Zrozumienie ewolucji wirusów jest skomplikowane, ponieważ prawie na pewno nie są one monofiletyczne: kilka linii powstało niezależnie od siebie. W rezultacie, jak wirusy pasują do uniwersalnego drzewa życia, pozostaje głównym, nierozwiązanym pytaniem.

Onderzoek en toepassingen

Kweek van virussen

Wirusy można hodować w specjalnych kulturach komórkowych. Wrażliwe linie komórkowe są w ten sposób zakażone pożądanym szczepem wirusa. Replikację można monitorować przez regularne oznaczanie liczby zakaźnych cząstek wirusa (tzw. miana) w pożywce hodowlanej. Klasycznym odkryciem jest to, że wirus „znika” w komórkach na początku procesu. Dzieje się tak, ponieważ wirusy w cytoplazmie zostały zdemontowane i dlatego nie wykazują już widocznego ani biochemicznego śladu. Po kilku godzinach liczba zakaźnych cząstek wirusa w pożywce hodowlanej ponownie wzrasta. Cząsteczki wirusa można izolować z hodowli komórkowej za pomocą technik wirowania i filtracji.Systemy hodowli komórkowych odgrywają główną rolę w eksperymentalnych badaniach wirusologicznych, takich jak identyfikacja lub analiza właściwości molekularnych.W przeszłości hodowla wirusów była również ważna w diagnostyce infekcji wirusowych. Dzięki postępowi technicznemu diagnostyka wirusów opiera się obecnie w dużej mierze na specyficznym wykrywaniu wirusowych cząsteczek DNA lub RNA za pomocą PCR lub RT-PCR.

Levenswetenschappen

Wirusy są wykorzystywane w różnych dziedzinach nauki, zwłaszcza w biologii molekularnej i biologii komórki. Infekując komórki zmanipulowanymi cząsteczkami wirusa, niektóre procesy komórkowe można sztucznie uruchomić, aby można je było monitorować za pomocą technik biochemicznych lub mikroskopowych. W rezultacie wirusy odegrały rolę w rozwikłaniu wielu podstawowych mechanizmów biologii molekularnej, takich jak replikacja DNA, transkrypcja, obróbka RNA, translacja i lokalizacja białek.Wirusy można wykorzystać do wprowadzenia pożądanego fragmentu DNA do komórek. Wirus przenoszący DNA nazywany jest wektorem wirusowym. Wektory wirusowe są wykorzystywane m.in. w leczeniu chorób dziedzicznych, ponieważ mają zdolność usuwania genów krytycznych dla choroby lub wprowadzania brakujących genów.W niektórych krajach bakteriofagi są wykorzystywane do zwalczania infekcji bakteryjnych, jako alternatywa dla antybiotyków. Lek ten wysunął się na pierwszy plan ze względu na ogólnoświatowy wzrost oporności na antybiotyki. Wirusy są również wykorzystywane do przemysłowej produkcji białek farmaceutycznych, takich jak antygeny szczepionkowe i przeciwciała.

Wiroterapia

Wirusy modyfikowane genetycznie mogą być stosowane w leczeniu chorób. Opracowano na przykład szczepy wirusów, które specyficznie infekują komórki rakowe, a tym samym je zabijają, podczas gdy zdrowe komórki ciała pozostają w spokoju. Te tak zwane wirusy onkolityczne przeszły już testy kliniczne niektórych postaci raka i zostały dopuszczone do użytku w szpitalu. Inne godne uwagi zastosowania medyczne wirusów to terapia genowa, zastosowanie wektorów wirusowych do leczenia zaburzeń genetycznych oraz immunoterapia, kontrola układu odpornościowego przy użyciu cząstek wirusa lub białek do zwalczania niektórych chorób.

nanotechnologia

Z perspektywy nanotechnologii i materiałoznawstwa wirusy można uznać za nanocząstki organiczne. Na ich powierzchni znajdują się różne grupy molekularne (kapsyd), które można wykorzystać do celów praktycznych lub eksperymentalnych. Wielkość i kształt kapsydu, a także liczba i charakter grup funkcyjnych na ich powierzchni są bardzo precyzyjnie określone w materiale genetycznym. Właściwości te można stosunkowo łatwo dostosować za pomocą technik genetycznych i modyfikacji chemicznych. Zdolność adaptacyjna i chemiczna wszechstronność kapsydu sprawiają, że wirusy doskonale nadają się do badań materiałoznawczych i nanotechnologicznych. Wirusy były z tego powodu wykorzystywane do zastosowań w dziedzinach takich jak elektronika, fizyka molekularna,opracowywanie leków i technologia medyczna.

Zobacz także

Życie niekomórkowe Wiroid

Original article in Dutch language