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DEFINIZIONE DI VIRUS
I Virus sono agenti patogeni in grado di infettare le cellule animali, vegetali e batteriche. Sono definiti parassiti endocellulari obbligati perché possono replicarsi soltanto all'interno di cellule viventi: essi non sono in grado di produrre e di immagazzinare energia né di provvedere alla replicazione delle proprie unità costitutive. Pertanto come tali essi non necessitano solo degli elementi nutritivi prodotti dalle cellule ospiti ma soprattutto dei sistemi di trascrizione e traduzione di tali cellule. I virus possono essere definiti come organismi acellulari i cui genomi sono costituiti da acido nucleico e che si replicano obbligatoriamente all'interno delle cellule ospiti utilizzando macchinari metabolici e ribosomi dell'ospite per formare un pool di componenti che si assemblano in particelle chiamate virioni che servono a proteggere il genoma e a trasferirlo a altre cellule.
STORIA
Il vaiolo era un virus contagioso già in Cina nel 1000 avanti cristo ed era caratterizzato dalla comparsa di un eruzione maculo papulare cui seguiva la comparsa di vescicole ripiene di liquido. Tuttavia esso è causato da ben 2 varianti : variola major e variola minor e di cui la variola major si è visto avere più effetti dannosi con una mortalità pari al 35 %. La trasmissione avveniva per via aerea con goccioline contenenti virioni che provengono dalla mucosa nasale, orale o faringea e di solito per contatto tra due persone oppure oggetti contaminati Il periodo di incubazione che va dall entrata inj contatto con il virus e l’insorgenza delle manifestazioni cliniche è di 12 giorni e i sintomi erano quelli di
una normale influenza avvolte accompagnati da disturbi gastrointestinali. Riconoscendo che i sopravvissuti all epidemia di vaiolo erano prptetti dalla successiva infezione, la pratica della variolazione ha comportato l’inalazione delle croste essiccate da lesioni del vaiolo come il tabacco da fiuto o in successive modifiche l’inoculaizone del pus da una lesione in un graffio sull avambraccio di un bambino 8in questo modo la persona contraeva la malattia nella forma più lieve divenendo immune alla forma più grave). Il primo tuttavia a mette a punto una tecnica di vaccinazione fu Jenner nel 1976 : egli aveva notato che tanti individui che lavoravano a contatto con le mucche risultavano protetti nei confronti dell infezione variolosa. I bovini, avevano infatti a livello delle mammelle un virus che causava il variolo bovino e trasmesso ai mungitori che contraevano la forma più lieve di vaiolo con lesioni sulle mani. Così vaccinò un bambino di 8 anni con del materiale proveniente dalle lesioni che erano presenti sulla mano di una mungitrice e in effetti il bambino verificò l’immunità a questa malattia. Il vaiolo è stato sradicato nel mondo oggi.
IWANOSKI
La scoperta dell’esistenza dei virus alla fine dell’Ottocento si deve soprattutto alle ricerche condotte per porre rimedio a una pestilenza che stava compromettendo le coltivazioni del tabacco in Olanda e Bessarabia (regione che comprende le attuali Ucraina del Sud e Moldavia): la malattia del mosaico del tabacco. Questa malattia si presentava con macchie giallastre che si alternavano alle aree verdi formando una specie di mosaico, da cui il nome. Il
trattasse di una forma vitale liquida. In seguito venne utilizzato il termine virus , parola latina per “veleno”. La natura particellare anziché fluida dei virus fu però stabilita con certezza da Wendell Stanley solo nel 1935, dopo l’invenzione del microscopio elettronico, osservando proprio i virus del mosaico del tabacco; In quell’occasione fu possibile stabilire che i virus erano costituiti principalmente da una parte proteica, mentre in seguito emerse anche la presenza di una componente di acidi nucleici (DNA o RNA). Sempre grazie a questo virus, indicato con la sigla TMV (Tobacco Mosaic Virus), si deve la scoperta negli anni Cinquanta del meccanismo d’infezione virale. La struttura proteica (capside), che racchiude e protegge il materiale genetico, contiene delle particolari proteine che si legano a dei recettori presenti sulla cellula ospite, determinando il tipo di cellule suscettibili all’infezione. Una volta che il virus penetra nella cellula, ne sfrutta l’apparato metabolico per riprodursi.
WATSON AND CRICK
Era il 1953 quando nei laboratori di Cambridge il biologo americano James Watson e il fisico britannico Francis Crick intuirono la struttura della molecola della vita, la struttura a doppia elica del DNA (acido desossi ribonucleico) descrivendone in modo completo il meccanismo che porta alla sua duplicazione. Tuttavia dietro alle loro ricerche vi è una storia di esperimenti e di studi senza i quali i due ricercatori non avrebbero potuto comprendere la natura del DNA : le leggi di Mendel sull ereditarietà avevano fornito già la chiave dell esistenza di un preciso codice genetico e quindi da allora si erano fatti ulteriori
passi in avanti in questo campo, grazie all’introduzione di nuovi metodi d’indagine come la cristallografia a raggi X ideata da William Henry Bragg. Questa tecnica permise di approfondire la struttura ed il funzionamento di molte molecole biologiche, tra cui gli acidi nucleici presenti nel DNA. I primi a sfruttarla efficacemente furono Oswald Theodore Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCart che nel 1944 riuscirono a dimostrare che i cromosomi, portatori dei caratteri ereditari, sono costituiti da catene di acido desossiribonucleico (DNA) e che è, pertanto, quest’ultimo il responsabile della trasmissione dei caratteri, necessari alla vita di un organismo. Per cui all’inizio degli anni Cinquanta si sapeva quasi tutto del DNA, tranne che forma avesse. Il 1953 fu l’anno decisivo. In quell’anno la biologa inglese Rosalind Franklin, ricercatrice al King’s College di Londra, riuscì a fotografare il modello base della molecola del DNA, grazie alla tecnica della diffrazione dei raggi di X di Bragg. L’immagine, nota alla storia come Foto 51, finì nelle mani del direttore del laboratorio Maurice Wilkins che la mostrò a due colleghi del celebre Cavendish Laboratory di Cambridge. I due, Francis Crick e James Watson, colsero l’occasione al volo e la utilizzarono per portare a termine le loro ricerche. Si arrivò così allo storico annuncio di Crick all’Eagle Pub, cui seguì un articolo sull’autorevole rivista Nature, che il 25 aprile dello stesso anno mostrò al mondo accademico il modello a doppia elica della molecola di acido desossiribonucleico. L’immagine ritraeva due filamenti con uno scheletro formato da molecole di zucchero (desossiribosio), unite tra loro da molecole di acido fosforico e avvolte intorno a un asse centrale, disegnando così un’elica.
Il primo vaccino antipolio efficace fu sviluppato nel 1952 da Jonas Salk : Il vaccino o polio inattivato (IPV), si basa su tre ceppi selvaggi, virulenti di riferimento: Mahoney (poliovirus di tipo 1), MEF-1 (poliovirus di tipo 2) e Saukett (poliovirus tipo 3), coltivati in un tipo di coltura tissutale ricavato dal rene di scimmia, che vengono poi inattivati con formalina (soluzione di formaldeide ed acqua) conferisce un'immunità IgG-mediata nel sangue, che impedisce la progressione dell'infezione da polio e protegge i motoneuroni. I primi test con gli animali lasciavano ben sperare: le scimmie a cui Salk somministra il vaccino con il virus inattivato risultano infatti immuni alla malattia. La somministrazione avveniva mediante iniezione del virus inattivato e nel 1952 inizia la fase di sperimentazione sugli uomini. Tra i volontari vi sono anche Salk e la sua famiglia, oltre al suo staff. Anche in questo caso, non si registrano reazioni violente al vaccino. A questo punto, mancava solo un test finale di verifica su larga scala, lanciato nel 1954 e affidato a Francis. Vengono coinvolti quasi due milioni di bambini americani, di età compresa tra i sei e i nove anni: a metà – i cosiddetti "Pionieri della Polio" – viene somministrato il vaccino, all'altra viene dato un placebo. L'esito è positivo: il vaccino risulta sicuro ed efficace nel 90% dei casi. Sabin invece fece dei vaccini da virus vivi ma attenuati ove per attenuazione si intende un meccanismo attraverso il quali il virus diventa avirulento ossia poco aggressivo ma antigenicamente attivo e quindi induce lo stesso la risposta immunitaria con anticorpi specifici. Lo mise appunto tramite colture cellulari in laboratorio osservando che dopo una serie di riproduzioni il virus diventava sempre più attenutato ; poi lo inserì in un organismo e vide che infettava l’intestino per poi essere in seguito eliminato. Il
vaccino di Sabin è più facile da somministrare di quello di Salk: è in una sola dose da assumere per bocca (con la famosa zolletta) e, per di più, il virus vivo attenuato viene eliminato con le feci, ottenendo un'elevata copertura vaccinale di massa, anche nei confronti degli individui non vaccinati. Inoltre, i virus attenuati contenuti nel vaccino sono in grado di competere ecologicamente con i virus selvaggi presenti nell'ambiente costituendo un ulteriore fattore di protezione dal contagio. Vi è, però, il rischio di una possibile retromutazione genetica , durante il transito intestinale, dei virus attenuati, con ripristino della loro virulenza e insorgenza di una paralisi flaccida in 1 caso ogni 2, milioni di dosi somministrate. Il rischio è più alto dopo la prima dose (1 caso ogni 550.000 bambini). Per queste ragioni, dei due vaccini antipolio disponibili, dove la malattia è ormai virtualmente debellata, si somministra il vaccino inattivo, mentre il vaccino Sabin resta raccomandato dall’Organizzazione mondiale della sanità per i Paesi ancora a rischio di epidemie.
VIROIDI
In natura oltre ai virus, esistono pure altri agenti acellulari quali per esempio i viroidi. Essi sono i più piccoli agenti patogeni conosciuti e la forma extracellulare consiste semplicemente di molecole di RNA nude, ovvero non racchiuse da un rivestimento proteico protettivo; tali agenti infettanti non codificano infatti neppure per una singola proteina. Un viroide è quindi solo una piccola molecola di RNA circolare arrotolata su se stessa a creare un esteso segmento a doppio filamento. Non sono protetti da un capside e quindi dal momento che non debbono sintetizzare le
D non codifica per il proprio capside, mentre le proteine che esso codifica sembrano svolgere un ruolo importante nell’impacchettamento delle particelle. L’agente dell’epatite D utilizza il capside di un virus autentico, ossia il virus dell’epatite B (HBV), per essere impacchettato. Da tutto ciò si evince che la malattia epatite D si verifica solo se l’ospite viene contemporaneamente coinfettato sia dal virus dell’epatite B che dall’agente dell’epatite D. Questo particolare tipo di infezione doppia comporta l’insorgenza di una malattia ben più grave di quella indotta dalla sola infezione da virus dell’epatite B. L’agente dell’epatite D può causare la malattia inattivando un componente essenziale delle cellule: il suo RNA presenta, infatti, un’ampia omologia di sequenza con una particella di RNA 7S citoplasmatica coinvolta nel riconoscimento del segnale e nella traslocazione di proteine secretorie e di quelle associate alla membrana; è probabile che l’RNA del virusoide sequestri o scinda la particella 7S, determinando la morte cellulare.
VIRUS DELLE PIANTE
Un gran numero di malattie nelle piante è causato da virus. L’infezione può essere riconosciuta tramite segni esteriori tra cui : perdita di pigmento, crescita stentata, segni su foglie e frutti e tumori. Al pari dei virus degli animali (vertebrati, insetti), funghi e procarioti (batteri), i fitovirus hanno un genoma ad RNA (lineare a singola a doppia elica) o a DNA (circolare a singola o doppia elica). Ne è un esempio il Potyvirus che fa parte della famiglia Potyviridae. Le piante fungono da ospiti naturali. Attualmente ci sono 183 specie di questo genere tra cui
la specie tipo virus Y della patata. Il PVY può essere trasmesso alle piante di patata mediante innesto , inoculo di linfa vegetale e trasmissione di afidi. Il modo più comune di infezione da PVY del materiale vegetale sul campo è attraverso l'afide (insetti emitteri). La trasmissione di PVY da parte degli afidi avviene in modo non persistente e non circolativo, il che suggerisce un'interazione meno intima tra virione e vettore rispetto al caso dei virioni circolativi. Il fatto che i virioni siano trasmessi in modo non persistente significa che la replicazione virale non avviene all'interno del vettore afide e che, a meno che l'afide non si nutra di piante infette, perde la sua capacità di infettare le piante dopo due o tre poppate. I virioni si attaccano allo stiletto degli afidi in pochi secondi e possono rimanere infettivi da quattro a diciassette ore. La distanza alla quale i virioni possono essere trasmessi è limitata a causa del breve periodo per il quale rimangono infettivi. All'ingresso nella cellula vegetale, la proteina del rivestimento del virus si smonta e rilascia il suo genoma di RNA. L'RNA virale funge da mRNA e, sebbene si sappia poco sulla sua traduzione, si ritiene che la regione non codificante 5 'funzioni come un potenziatore della traduzione. L'mRNA tradotto si traduce in una poliproteina che viene trasformata in proteine mature. Ogni poliproteina viene quindi suddivisa in dieci diverse proteine che si ritiene siano multifunzionali. Queste proteine, insieme alle proteine dell'ospite, si assemblano per formare un complesso di replicazione. Questo complesso esegue il filamento negativo Sintesi dell'RNA, utilizzando il filamento positivo dell'RNA virale come modello. Una volta che le copie aggiuntive di RNA sono state prodotte, codificano per la sintesi di varie proteine, come accennato in precedenza, oltre alle proteine del rivestimento. Queste proteine del rivestimento ora
danneggiati nel tempo dall asciugatura, dai detergenti e dal riscaldamento, sono in grado di resistere in ambienti asciutti e infettare il tratto gastrointestinale sopravvivendo all acido e alla bile. Poi sono pure in grado di diffondersi facilmente tramite mani, la polvere e possono rimanere asciutti e conservare l’infettività e infine per controllare che si sia instaurata un infezione sono necessari anticorpi sistemici e neutralizzanti della mucosa. Si dicono Rivestiti invece , quando sono formati da Acido nucleico, proteine, lipidi e carboidrati, quindi quando il Nucleocapside è rivestito da una membrana o Envelope (lipidi e carboidrati sono contenuti nella membrana limitante esterna e sono identici a quelli della cellula ospite e non sono codificati dal virus). Nella loro forma extracellulare (virione), costituita da un genoma e da un capside ossia un rivestimento proteico, ne permette sia l’esistenza del virus al di fuori dell ospite sia ne facilita la trasmissione da cellula a cellula. PERICAPSIDE O ENVELOPE Il Pericapside o Envelope è uno strato lipidico, in alcuni casi glicoproteico, esterno all'involucro, presente solo in alcune famiglie di virus, come gli Orthomyxovirus, Herpesvirus, Retrovirus, Ppxvirus, etc.. ed è costituito da lipidi delle membrana della cellula infettata, rimasti intorno al virus vero e proprio al momento della fuoriuscita dalla cellula stessa o "budding". Contiene anche alcune glicoproteine virali, che fungono da primo recettore virale nei confronti delle cellule bersaglio. Svolge funzione di protezione, di riconoscimento antigenico (emoagglutinina del virus influenzale) e di penetrazione nella
cellula ospite tramite il meccanismo di fusione con la membrana cellulare. La presenza del pericapside rende ragione della sensibilitò di alcuni virus ai disinfettanti organici, quali eteri e alcoli, in grado di sciogliere i lipidi. La base di tutti gli involucri virali è una membrana lipidica acquisita dalla cellula ospite durante l'assemblaggio; le proteine virali vengono inserite nella membrana lipidica e la grande maggioranza di queste sono glicoproteine (oligomeri). L'involucro ha varie funzioni quali l'aggancio, fusione ed entrata (HA- emoagglutinina), l'attività enzimatica (NA- neuraminidasi), di canale ionico (M2) e di antigeni principali (HA, NA). PROTEINE DEL CAPSIDE Tali proteine inoltre possono svolgere diverse funzioni tra cui : sono coinvolte nell attacco del virus alla cellula ospite poiché possiedono elementi di identificazione che assicurano al virus il riconoscimento di un appropriata cellula bersaglio (non vale però per i virus vegetali) ; poi possono avere attività enzimatica perché alcuni virioni contengono enzimi come il lisozima per esempio che viene usato per produrre un piccolo foro nella parete cellulare delle cellule batteriche ttraverso il quale il virus può iniettare il proprio acido nucleico nel citoplasma cellulare e quindi ha un ruolo importante durante il processo di infezione. Infine possono avere un ruolo nella replicazione degli acidi nucleici difatti li porteggono dalla degradazione da parte delle nucleasi.
IL CAPSIDE
costituito da 20 facce triangolari e 12 vertici. I vari virus con questa simmetria si differenziano per numero e distribuzione dei capsomeri; i capsomeri possono essere dei pentameri o degli esameri. c) Complessa, struttura non classificabile secondo canoni ristretti, come batteriofagi, poxvirus, et.
IL NUCLEOCAPSIDE
Il Core o Nucleocapside è un' area interna del virus (insieme del genoma e capside), in cui si trova il materiale genetico del virus (a RNA o a DNA, a seconda del tipo virale), frammisto a proteine anch'esse proprie del virus, in parte strutturali (che impacchettano e stabilizzano il genoma) e in parte funzionali (polimerasi, proteasi, etc..).
IL MIMIVIRUS
Il mimivirus è un genere di virus che causa della sua grandezza e di molte sue caratteristiche, si pone al confine tra esseri viventi e non viventi. Ciò che fa sì che il mimivirus debba essere considerato un virus e non un batterio, è la modalità di replicazione, non autonoma. Lo svolgimento del processo replicativo del mimivirus non è ancora completamente compreso, ma come minimo è noto che il mimivirus si attacca ad un recettore sulla membrana della cellula dell'ameba e dopo di ciò entra all'interno della stessa per endocitosi. Una volta all'interno, inizia una “fase di eclissi”, durante la quale il virus sparisce e la cellula appare completamente sana e inalterata. Dopo circa quattro ore piccoli accumuli proteici possono essere riscontrati in
alcune aree della cellula. Otto ore dopo l'infezione molti virioni di mimivirus risultano chiaramente visibili nella cellula. Il citoplasma della cellula continua a riempirsi di virioni appena sintetizzati e circa 24 ore dopo l'infezione iniziale la cellula probabilmente scoppia rilasciando i nuovi mimivirus. Ha un capside icosaedrico di circa 400 nm di diametro e grande genoma è costituito da una molecola lineare di DNA a doppio filamento con 1.181.404 coppie di basi di lunghezza. Ciò lo rende uno dei più grandi genomi virali conosciuti. Le sue dimensioni sono analoghe a quelle di molti organismi batterici, possiede un genoma di dimensioni comparabili a molti procarioti anche non parassiti, che codifica proteine apparentemente inutili per un normale virus. In più, esso contiene geni che codificano per enzimi coinvolti nella sintesi di nucleotidi e amminoacidi, che non sono presenti in molti virus parassiti intracellulari obbligati. Ciò significa che differentemente da questi virus il mimivirus non dipende dal genoma della cellula ospite per l'espletazione dei processi metabolici necessari alla loro produzione. Esso tuttavia non possiede i geni per le proteine ribosomiali e dipende perciò dal suo ospite per sintesi proteica e processi energetici. L’isolamento del primo Mimivirus si è verificato per puro caso durante alcuni studi su agenti patogeni associati alle amebe prelevati da campioni di acqua ambientale a Bradford, in Inghilterra, dove era in corso un’epidemia di polmonite. Questo virus era inizialmente ed erroneamente considerato un batterio a causa della sua grandezza e della colorazione Gram-positiva. Per queste ragioni il “falso batterio” fu inizialmente soprannominato Bradford coccus. Nel 2003 un campione fu portato all’Università di Aix- Marseille, dove fu caratterizzato e descritto come il più grande virus conosciuto a quel tempo. Dopo la scoperta del Mimivirus ci
fatto che già Tikvah Alper e collaboratori dell Institute di Londra avevano proposto che l'agente infettante della scrapie potesse essere privo di acidi nucleici e quindi essere di conseguenza una proteina. Difatti questo prototipo di un gruppo di malattie chiamate encefalopatie spongiformi trasmissibili che fu scoperto nel 1939 era trasmissibile agli animali da esperimento e l’agente infettante in particolare aveva : un lungo periodo di incubazione e d era resistente ai metodi convezionali di sterilizzazione (UV, formaldeide, alta temperatura). Poi nel 1968 Alper scoprì che le radiazioni non uccidevano l'agente infettivo nella scrapie, ipotizzando che un virus era improbabile che fosse l'agente infettivo, il quale doveva essere più piccolo e più semplice del DNA (virale). Alper inoltre scoprì che l'agente rimaneva attivo alla luce ultravioletta, mentre Il DNA non lo era. (contrariamente a quanto affermava Griffit che riteneva che tale proteina funzionante come agente infettante in realtà era una forma modificata di una proteina normale che c’è nelle cellule). Così Prusiner dal 1974 cominciò un lungo lavoro per la purificazione dell'agente della scrapie da estratti di cervelli di criceti infetti che si concluse nel 1982 con l'annuncio che tale agente risultava essere esclusivamente di natura proteica. A differenza di virus e batteri i prioni rimangono intatti anche in assenza di ulteriori trattamenti, come un riscaldamento alle normali temperature di sterilizzazione per oltre un'ora, a forti dosi di radiazioni ionizzanti, al trattamento con formaldeide, varechina e acqua bollente. Inoltre, pur essendo proteine, sono resistenti alla maggior parte delle proteasi, pertanto l'organismo infettato (umano e no) non ha modo di degradarli. Il decorso clinico nell'animale e nell'uomo è progressivo, irreversibile e letale,
l'incubazione dura generalmente parecchi anni. La comparsa dei sintomi della suddetta patologia si manifesta precocemente. Il prione (PrPres=proteina prionica resistente alle proteasi o PrPsc=proteina della scrapie) è la forma alterata di una proteina utile presente nei mammiferi (PrPsen=proteina sensibile alle proteasi o PrPc=proteina cellulare), tra cui l'uomo, in tutti gli organi ma in particolare sulle cellule del tessuto nervoso la cui funzione ipotizzata implica la trasmissione di impulsi nervosi e alcuni meccanismi relativi alla memoria a lungo termine. Nell'uomo la PrPc è codificata da un solo gene che sta nel braccio corto del cromosoma 20. Il complesso di maturazione della proteina comporta la riduzione di 22 R (catena residuale degli amminoacidi legati) della (^) NH 2 e 23 del terminale COOH. All'amminoacido 230 viene legata una molecola di GPI (glicosil fosfatidil inositolo) che ha funzione di ancorare la proteina matura alla membrana cellulare dei neuroni. Una volta ancorata ai neuroni se viene a contatto con PrPsc, la PrPc subisce un cambiamento conformazionale (la differenza tra le due è solo conformazionale ed è legata alla mutazione puntiforme di un solo amminoacido). La PrPsc è poco solubile e quindi precipita formando aggregati insolubili chiamati placche amiloidi che innescano la reazione a catena. Secondo il modello più accreditato (proposto dallo stesso Prusiner) la PrPc diviene pericolosa in seguito a un mutamento conformazionale, indotto da un prione infettante o da una mutazione genetica spontanea, che la trasforma in PrPres, la quale a sua volta agisce su altre PrPc con una reazione a catena. La PrPsc differisce dalla proteina naturale PrPc per la
