Ιός

Γονιδίωμα

Γονιδιωματική ποικιλομορφία μεταξύ των ιών
Ακίνητα	Παράμετροι
Νουκλεϊκό οξύ	RNA DNA RNA και DNA (σε διαφορετικά στάδια του κύκλου ζωής)
Σχήμα	Γραμμική Κυκλική Τμηματοποιημένο
Στεγανότητα	Μονόκλωνο Διπλόκλωνο Διπλόκλωνος με περιοχές μονόκλωνου χαρακτήρα
Αίσθηση	Θετική αίσθηση (+) Αρνητική αίσθηση (-) Ambisense (+/-)

Υπάρχουν πολλές γονιδιωματικές δομές στους ιούς. Ως ομάδα έχουν μεγαλύτερη δομική γονιδιωματική ποικιλομορφία από ό,τι τα φυτά, τα ζώα, τα αρχαία ή τα βακτήρια. Υπάρχουν εκατομμύρια διαφορετικοί τύποι ιών, αλλά μόνο περίπου 5.000 από αυτούς έχουν περιγραφεί λεπτομερώς. ⁴⁹

Ένας ιός έχει είτε γονίδια RNA είτε γονίδια DNA και ονομάζεται ιός RNA ή ιός DNA αντίστοιχα. Η συντριπτική πλειονότητα των ιών έχει γονιδίωμα RNA. Οι φυτικοί ιοί τείνουν να έχουν μονόκλωνο γονιδίωμα RNA και οι βακτηριοφάγοι τείνουν να έχουν δίκλωνο γονιδίωμα DNA. ^96/99

Κύκλος αντιγραφής του ιού: 1-προσκόλληση, 2-διείσδυση, 3-επικάλυψη, 4-σύνθεση (4α-μεταγραφή, 4β-μετάφραση, 4γ-αντιγραφή του γονιδιώματος), 5-συναρμολόγηση, 6-απελευθέρωση

Κύκλος αντιγραφής

Οι ιικοί πληθυσμοί δεν αναπτύσσονται μέσω κυτταρικής διαίρεσης, επειδή δεν έχουν κύτταρα. Αντ' αυτού, χρησιμοποιούν τους μηχανισμούς και τον μεταβολισμό ενός κυττάρου ξενιστή για να παράγουν πολλά αντίγραφα του εαυτού τους και συναρμολογούνται (συναρμολογούνται) στο κύτταρο.

Ο κύκλος ζωής των ιών διαφέρει πολύ μεταξύ των ειδών, αλλά υπάρχουν έξι βασικά στάδια στον κύκλο ζωής των ιών:^75/91

• Η προσκόλληση είναι μια ειδική σύνδεση μεταξύ των καψιδιακών πρωτεϊνών του ιού και ειδικών υποδοχέων στην κυτταρική επιφάνεια του ξενιστή.
• 
  Η διείσδυση ακολουθεί την προσκόλληση: Οι ιοί (μεμονωμένα σωματίδια του ιού) εισέρχονται στο κύτταρο-ξενιστή μέσω ενδοκυττάρωσης μέσω υποδοχέα ή μεμβρανικής σύντηξης. Αυτό ονομάζεται συχνά ιική είσοδος.
  Η μόλυνση των φυτικών και μυκητιακών κυττάρων είναι διαφορετική από εκείνη των ζωικών κυττάρων. Τα φυτά έχουν άκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα από κυτταρίνη και οι μύκητες από χιτίνη. Αυτό σημαίνει ότι οι περισσότεροι ιοί μπορούν να εισέλθουν στο εσωτερικό αυτών των κυττάρων μόνο με τη βία. ⁷⁰ Ένα παράδειγμα θα μπορούσε να είναι: ένας ιός ταξιδεύει πάνω σε ένα έντομο-φορέα που τρέφεται με φυτικούς χυμούς. Η βλάβη που προκαλείται στα κυτταρικά τοιχώματα θα επέτρεπε στον ιό να εισέλθει.
  Τα βακτήρια, όπως και τα φυτά, έχουν ισχυρά κυτταρικά τοιχώματα, τα οποία πρέπει να διαπεράσει ένας ιός για να μολύνει το κύτταρο. Ωστόσο, τα βακτηριακά κυτταρικά τοιχώματα είναι πολύ λεπτότερα από τα φυτικά κυτταρικά τοιχώματα και ορισμένοι ιοί διαθέτουν μηχανισμούς που εγχέουν το γονιδίωμά τους στο βακτηριακό κύτταρο διαμέσου του κυτταρικού τοιχώματος, ενώ το ιικό καψίδιο παραμένει έξω. ⁷¹
• Η αποεπικάλυψη είναι μια διαδικασία κατά την οποία αφαιρείται το ιικό καψίδιο: Αυτό μπορεί να γίνει με αποικοδόμηση από ιικά ένζυμα ή ένζυμα του ξενιστή ή με απλή διάσπαση- το τελικό αποτέλεσμα είναι η απελευθέρωση του ιικού νουκλεϊκού οξέος.
• Η αντιγραφή των ιών περιλαμβάνει τον πολλαπλασιασμό του γονιδιώματος. Αυτό απαιτεί συνήθως την παραγωγή ιικού αγγελιοφόρου RNA (mRNA) από "πρώιμα" γονίδια. Αυτό μπορεί να ακολουθηθεί, για πολύπλοκους ιούς με μεγαλύτερα γονιδιώματα, από έναν ή περισσότερους περαιτέρω γύρους σύνθεσης mRNA: η έκφραση "όψιμων" γονιδίων αφορά δομικές πρωτεΐνες ή πρωτεΐνες του ιού.
• Μετά την αυτοσυναρμολόγηση των σωματιδίων του ιού με τη μεσολάβηση της δομής, συχνά επέρχεται κάποια τροποποίηση των πρωτεϊνών. Σε ιούς όπως ο HIV, η τροποποίηση αυτή (που μερικές φορές ονομάζεται ωρίμανση) λαμβάνει χώρα μετά την απελευθέρωση του ιού από το κύτταρο ξενιστή.
• Οι ιοί μπορούν να απελευθερωθούν από το κύτταρο ξενιστή με λύση, μια διαδικασία που σκοτώνει το κύτταρο διαρρηγνύοντας τη μεμβράνη και το κυτταρικό τοίχωμα. Αυτό είναι χαρακτηριστικό πολλών βακτηριακών και ορισμένων ζωικών ιών.
  Σε ορισμένους ιούς το ιικό γονιδίωμα τοποθετείται με γενετικό ανασυνδυασμό σε συγκεκριμένη θέση στο χρωμόσωμα του ξενιστή. Το ιικό γονιδίωμα είναι τότε γνωστό ως "προϊός" ή, στην περίπτωση των βακτηριοφάγων, ως "προφάγος". ⁶⁰
  Κάθε φορά που ο ξενιστής διαιρείται, αντιγράφεται και το ιικό γονιδίωμα. Το ιικό γονιδίωμα είναι ως επί το πλείστον σιωπηλό εντός του ξενιστή- ωστόσο, κάποια στιγμή, ο προβιοφάγος ή ο προφάγος μπορεί να δημιουργήσει ενεργό ιό, ο οποίος μπορεί να λύσει τα κύτταρα του ξενιστή. ^{κεφάλαιο 15. Οι}
  περιβαλλόμενοι ιοί (π.χ. ο HIV) συνήθως απελευθερώνονται από το κύτταρο-ξενιστή αφού ο ιός αποκτήσει το περίβλημά του. Ο φάκελος είναι ένα τροποποιημένο κομμάτι της πλασματικής μεμβράνης του ξενιστή. ^185/7

Γενετικό υλικό και αντιγραφή

Το γενετικό υλικό μέσα στα σωματίδια των ιών και η μέθοδος με την οποία το υλικό αυτό αναπαράγεται, διαφέρει σημαντικά μεταξύ των διαφόρων τύπων ιών.

Ιοί RNA

Η αντιγραφή πραγματοποιείται συνήθως στο κυτταρόπλασμα. Οι ιοί RNA μπορούν να καταταγούν σε τέσσερις διαφορετικές ομάδες ανάλογα με τον τρόπο αντιγραφής τους. Όλοι οι ιοί RNA χρησιμοποιούν τα δικά τους ένζυμα RNA ρεπλικάσης για να δημιουργήσουν αντίγραφα του γονιδιώματός τους. ⁷⁹

Ιοί DNA

Η αντιγραφή του γονιδιώματος των περισσότερων ιών DNA πραγματοποιείται στον πυρήνα του κυττάρου. Οι περισσότεροι ιοί DNA εξαρτώνται πλήρως από τους μηχανισμούς σύνθεσης DNA και RNA του κυττάρου ξενιστή και τους μηχανισμούς επεξεργασίας RNA. Οι ιοί με μεγαλύτερα γονιδιώματα μπορεί να κωδικοποιούν οι ίδιοι ένα μεγάλο μέρος αυτών των μηχανημάτων. Στους ευκαρυώτες το ιικό γονιδίωμα πρέπει να διασχίσει την πυρηνική μεμβράνη του κυττάρου για να αποκτήσει πρόσβαση σε αυτά τα μηχανήματα, ενώ στα βακτήρια χρειάζεται μόνο να εισέλθει στο κύτταρο. ⁵⁴⁷⁸

Αντίστροφη μεταγραφή ιών

Οι ιοί αντίστροφης μεταγραφής με γονιδίωμα RNA (ρετροϊοί) χρησιμοποιούν ένα ενδιάμεσο DNA για να πολλαπλασιαστούν. Αυτοί με γονιδιώματα DNA (παραρετροϊοί) χρησιμοποιούν ένα ενδιάμεσο RNA κατά την αντιγραφή του γονιδιώματος. Είναι ευαίσθητοι στα αντιιικά φάρμακα που αναστέλλουν το ένζυμο της αντίστροφης μεταγραφάσης. Ένα παράδειγμα του πρώτου τύπου είναι ο HIV, ο οποίος είναι ένας ρετροϊός. Παραδείγματα του δεύτερου τύπου είναι τα Hepadnaviridae, στα οποία περιλαμβάνεται ο ιός της ηπατίτιδας Β. ^88/9

Αυτή η ψευδόχρωμη μικρογραφία ηλεκτρονίων διέλευσης απεικονίζει τις υπερδομικές λεπτομέρειες ενός σωματιδίου του ιού της γρίπης, ή "ιού". Ο ιός της γρίπης είναι ένας μονόκλωνος οργανισμός RNA

Μηχανισμοί άμυνας του ξενιστή

Έμφυτο ανοσοποιητικό σύστημα

Η πρώτη γραμμή άμυνας του οργανισμού κατά των ιών είναι το έμφυτο ανοσοποιητικό σύστημα. Αυτό διαθέτει κύτταρα και άλλους μηχανισμούς που υπερασπίζονται τον ξενιστή από κάθε μόλυνση. Τα κύτταρα του έμφυτου συστήματος αναγνωρίζουν τους παθογόνους μικροοργανισμούς και ανταποκρίνονται σε αυτούς με γενικό τρόπο.

Η παρεμβολή RNA είναι μια σημαντική έμφυτη άμυνα κατά των ιών. Πολλοί ιοί έχουν μια στρατηγική αντιγραφής που περιλαμβάνει δίκλωνο RNA (dsRNA). Όταν ένας τέτοιος ιός μολύνει ένα κύτταρο, απελευθερώνει το μόριό του RNA. Ένα πρωτεϊνικό σύμπλεγμα που ονομάζεται dicer προσκολλάται σε αυτό και τεμαχίζει το RNA σε κομμάτια. Στη συνέχεια, ξεκινά μια βιοχημική οδός, που ονομάζεται σύμπλεγμα RISC. Αυτό επιτίθεται στο ιικό mRNA και το κύτταρο επιβιώνει από τη μόλυνση.

Οι ροταϊοί το αποφεύγουν αυτό με το να μην αποεπικαλύπτονται πλήρως μέσα στο κύτταρο και με το να απελευθερώνουν το νεοπαραγόμενο mRNA μέσω πόρων στο εσωτερικό καψίδιο του σωματιδίου. Το γονιδιωματικό dsRNA παραμένει προστατευμένο στο εσωτερικό του πυρήνα του ιού.

Η παραγωγή ιντερφερόνης είναι ένας σημαντικός μηχανισμός άμυνας του ξενιστή. Πρόκειται για μια ορμόνη που παράγεται από τον οργανισμό όταν υπάρχουν ιοί. Ο ρόλος της στην ανοσία είναι σύνθετος- τελικά σταματά την αναπαραγωγή των ιών σκοτώνοντας το μολυσμένο κύτταρο και τους κοντινούς του γείτονες.

Προσαρμοστικό ανοσοποιητικό σύστημα

Τα σπονδυλωτά έχουν ένα δεύτερο, πιο ειδικό ανοσοποιητικό σύστημα. Ονομάζεται προσαρμοστικό ανοσοποιητικό σύστημα. Όταν συναντά έναν ιό, παράγει ειδικά αντισώματα που δεσμεύουν τον ιό και τον καθιστούν μη μολυσματικό. Δύο τύποι αντισωμάτων είναι σημαντικοί.

Η πρώτη, που ονομάζεται IgM, είναι εξαιρετικά αποτελεσματική στην εξουδετέρωση των ιών, αλλά παράγεται από τα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος μόνο για μερικές εβδομάδες. Η δεύτερη, που ονομάζεται IgG, παράγεται επ' αόριστον. Η παρουσία της IgM στο αίμα του ξενιστή χρησιμοποιείται για τον έλεγχο οξείας λοίμωξης, ενώ η IgG υποδηλώνει λοίμωξη κάποια στιγμή στο παρελθόν. Τα αντισώματα IgG μετρώνται κατά τη διενέργεια εξετάσεων για την ανοσία.

Μια άλλη άμυνα των σπονδυλωτών κατά των ιών είναι η κυτταρομεσολαβούμενη ανοσία. Πρόκειται για ανοσοποιητικά κύτταρα γνωστά ως Τ κύτταρα. Τα κύτταρα του οργανισμού εμφανίζουν συνεχώς μικρά θραύσματα των πρωτεϊνών τους στην επιφάνεια του κυττάρου και, εάν ένα Τ-κύτταρο αναγνωρίσει εκεί ένα ύποπτο ιικό θραύσμα, το κύτταρο-ξενιστής καταστρέφεται από τα φονικά Τ-κύτταρα και τα ειδικά για τον ιό Τ-κύτταρα πολλαπλασιάζονται. Κύτταρα όπως τα μακροφάγα είναι ειδικοί σε αυτή την παρουσίαση αντιγόνων.

Αποφυγή του ανοσοποιητικού συστήματος

Δεν προκαλούν όλες οι λοιμώξεις από ιούς προστατευτική ανοσολογική απόκριση. Αυτοί οι επίμονοι ιοί παρακάμπτουν τον ανοσολογικό έλεγχο με απομόνωση (απόκρυψη), παρεμπόδιση της παρουσίασης των αντιγόνων, αντίσταση στις κυτταροκίνες, αποφυγή της δραστηριότητας των κυττάρων φυσικών δολοφόνων, διαφυγή από την απόπτωση (κυτταρικός θάνατος) και αντιγονική μετατόπιση (αλλαγή των πρωτεϊνών της επιφάνειας). Ο HIV αποφεύγει το ανοσοποιητικό σύστημα αλλάζοντας συνεχώς την αλληλουχία αμινοξέων των πρωτεϊνών στην επιφάνεια του ιού. Άλλοι ιοί, οι λεγόμενοι νευροτροπικοί ιοί, μετακινούνται κατά μήκος των νεύρων σε μέρη που δεν μπορεί να φτάσει το ανοσοποιητικό σύστημα.

Δύο ροταϊοί: ο δεξιός είναι επικαλυμμένος με αντισώματα που τον εμποδίζουν να προσκολληθεί στα κύτταρα και να τα μολύνει.

Εξέλιξη

Οι ιοί δεν ανήκουν σε κανένα από τα έξι βασίλεια. Δεν πληρούν όλες τις προϋποθέσεις για να χαρακτηριστούν ως ζωντανοί οργανισμοί, επειδή δεν είναι ενεργοί μέχρι το σημείο της μόλυνσης. Ωστόσο, αυτό είναι απλώς ένα λεκτικό σημείο.

Προφανώς, η δομή και ο τρόπος λειτουργίας τους σημαίνει ότι έχουν εξελιχθεί από άλλα έμβια όντα, και η απώλεια της φυσιολογικής δομής συμβαίνει σε πολλά ενδοπαράσιτα. Η προέλευση των ιών στην εξελικτική ιστορία της ζωής είναι ασαφής: ορισμένοι μπορεί να έχουν εξελιχθεί από πλασμίδια - κομμάτια DNA που μπορούν να μετακινούνται μεταξύ των κυττάρων - ενώ άλλοι μπορεί να έχουν εξελιχθεί από βακτήρια. Στην εξέλιξη, οι ιοί αποτελούν σημαντικό μέσο οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων, η οποία αυξάνει τη γενετική ποικιλομορφία.

Πρόσφατες ανακαλύψεις

Ένα πρόσφατο πρόγραμμα ανακάλυψε σχεδόν 1500 νέους ιούς RNA με τη δειγματοληψία πάνω από 200 είδη ασπόνδυλων. "Η ερευνητική ομάδα... εξήγαγε το RNA τους και, χρησιμοποιώντας αλληλούχιση επόμενης γενιάς, αποκρυπτογράφησε την αλληλουχία ενός εντυπωσιακού αριθμού 6 τρισεκατομμυρίων γραμμάτων που υπήρχαν στις βιβλιοθήκες RNA των ασπόνδυλων". Η έρευνα έδειξε ότι οι ιοί άλλαζαν κομμάτια του RNA τους με διάφορους γενετικούς μηχανισμούς. "Το ιώνυμο των ασπόνδυλων [παρουσιάζει] αξιοσημείωτη γονιδιωματική ευελιξία που περιλαμβάνει συχνό ανασυνδυασμό, πλευρική μεταφορά γονιδίων μεταξύ ιών και ξενιστών, κέρδος και απώλεια γονιδίων και πολύπλοκες γονιδιωματικές αναδιατάξεις".

Μεγαλύτερος ιός

Μια ομάδα μεγάλων ιών μολύνει τις αμοιβάδες. Ο μεγαλύτερος είναι ο Pithovirus. Άλλοι κατά σειρά μεγέθους είναι ο Pandoravirus, στη συνέχεια ο Megavirus, στη συνέχεια ο Mimivirus. Είναι μεγαλύτεροι από ορισμένα βακτήρια και είναι ορατοί στο μικροσκόπιο.

Χρησιμοποιεί το

Οι ιοί χρησιμοποιούνται ευρέως στην κυτταρική βιολογία. Οι γενετιστές χρησιμοποιούν συχνά ιούς ως φορείς για την εισαγωγή γονιδίων στα κύτταρα που μελετούν. Αυτό είναι χρήσιμο για να κάνουν το κύτταρο να παράγει μια ξένη ουσία ή για να μελετήσουν την επίδραση της εισαγωγής ενός νέου γονιδίου στο γονιδίωμα. Οι ανατολικοευρωπαίοι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει τη θεραπεία με φάγους ως εναλλακτική λύση στα αντιβιοτικά εδώ και αρκετό καιρό, και το ενδιαφέρον για την προσέγγιση αυτή αυξάνεται, λόγω του υψηλού επιπέδου αντοχής στα αντιβιοτικά που εντοπίζεται πλέον σε ορισμένα παθογόνα βακτήρια.