Viirused — definitsioon, struktuur, paljunemine ja haigused
Viirused: definitsioon, struktuur, paljunemine ja haigused — selge ja põhjalik ülevaade viroloogiast, nakkustest ja ennetusvõimalustest.
Viirus on mikroskoopiline parasiit, mis võib nakatada elusorganisme ja põhjustada haigusi. Viirus ei ole iseseisev rakk, vaid koosneb peamiselt ühest nukleiinhappe jadast (RNA või DNA) ning seda ümbritsevast valgukattest ehk kapsiidist. Paljudel viirustel on lisaks kapsiidile ka lipiidne ümbris, mis tekib peremeesraku membraanist. Viirused suudavad teha oma koopiad vaid peremeesraku biokeemilise masina abil; väljaspool rakku ei toimu aktiivset paljunemist. Viiruste uurimise valdkond on Viroloogia.
Struktuur ja genoom
Viiruse põhikomponendid on:
- nukleiinhape — kas RNA või DNA, ühe- või kaheahelaline (ss- või ds-), mõnel juhul segmenteeritud;
- valgukate ehk kapsiid, mis koosneb korduvatest valguühikutest ja kaitseb nukleiinhapet;
- paljudel viirustel lipiidne ümbris (envelope), mis sisaldab peremeesraku lipiide ja viiruse glükoproteiine, mis osalevad sihtraku tunnustamisel ja sisenemisel;
- mõnel viirusel on lisastruktuurid (nt sabataolised elemendid bakteriofaagidel), mis aitavad kinnitumisel või geneetilise materjali sissetoomisel.
Viiruste kuju võib olla helicalne (spiraalne), icosahedral (paljukülgne) või keerukas (nt bakteriofaagide "peajalg" ja torkaehitus). Viiruste suurus jääb tavaliselt 20–300 nm vahemikku, seega on nad oluliselt väiksemad kui bakterid ning nähtavad alles elektronmikroskoobi abil.
Paljunemine ja elutsükkel
Viiruse elutsükkel sisaldab üldjoontes järgmisi etappe:
- kinnitamine (adsorptsioon) — viirus tunnustab ja seostub peremeesraku pinnaretseptoritega;
- sisenemine — mõnel viirusel toimub otse sisenemine/võõrvalgue üheaegne fusioloogia; Eukarüootiliste rakkude puhul toimub sisenemine tihti retseptorite vahendusel, bakterite puhul süstitakse DNA sageli faagi spetsiaalse struktuuri kaudu;
- uncoating (lahtipakkimine) — kapsiid vabaneb ja nukleiinhape pääseb raku sisemusse;
- replicatsioon ja geeniekspressioon — viiruse nukleiinhape kasutab peremeesraku masinaid (näiteks ensüüme ja ribosoome) uute genoomide ja viirusvalkude sünteesiks;
- kokkupanek (assembly) — uued viirusosakesed koosnevad kokku pannes;
- vabanemine — viirused väljuvad peremeesrakust kas rakku lõhustades (lüüs) või rakumembraanist budides, saades ümbrise.
Mõned viirused põhjustavad lüüsilist infaktsiooni, teised võivad jääda rakkudesse latentseks või temperaarsesse (tsükliliselt vaikivasse) olekusse (nt temperaatsed bakteriofaagid), kus viiruse genoom integreerub peremeesgenoomi ja reprodutseerub koos sellega.
Bakteriofaagid ja ümbrisviirused
Bakteriofaagid on viirused, mis nakatavad baktereid; nende sisenemismehhanism erineb eukarüootsete rakkude omast, kuna bakteritel on rakusein. Faagid võivad olla lüütilised või temperaatsed (võivad integreeruda peremeesraku genoomi).
Ümbrikviirused katavad end peremeesraku membraani osaga, moodustades välise lipiidikihi koos viiruse glükoproteiinidega. See ümbris aitab viirusel siseneda teistesse rakkudesse, kuid muudab viiruse ka tundlikumaks keskkonnatingimustele (nt kuivamisele, desinfektantidele). Paljud keerulised hulknurksed ja raskesti tõrjutavad viirused, nagu gripp ja HIV, kasutavad ümbrikuga sisenemise mehhanismi.
Haigused, nakatumine ja levik
Viirused võivad põhjustada väga erinevaid haigusi, alates kergetest hingamisteede nakkustest kuni tõsiste ja eluohtlike seisunditeni. Näited: lastehalvatus, ebolatsia, hepatiit, gripp, HIV. Viirused võivad levida otsese kontakti, õhu kaudu tilkade, fekaal‑oraalse ülekande, vere või vektorite (näiteks sääskede) kaudu.
Paljud viirused on spetsiifilised teatud peremeestüüpidele või rakkudele (host range ja tropism), kuid mõnel neist on zoonootiline potentsiaal, st nad võivad levida loomadelt inimestele.
Immuunsus, vaktsineerimine ja ravi
Loomade ja inimeste viirusnakkused vallandavad immuunvastuse, mis sageli suudab viiruse neutraliseerida ja infektsiooni lõpule viia. Vaktsiinid ergutavad immuunsüsteemi ja annavad kunstlikult tekkinud omandatud immuunsuse konkreetsete viiruste vastu. Siiski mõned viirused (nt HIV, teatud viirushepatiidi vormid) suudavad immuunsüsteemi vältida ja põhjustada kroonilisi või püsivaid infektsioone.
Antibiootikumid ei mõjuta viirusi, sest need sihivad bakterirakke. On olemas aga spetsiaalsed viirusevastased ravimid (antiviraalsed ained), mis pärsivad viiruse paljunemist — näiteks neuraminidaasi inhibiitorid gripi puhul või nukleosiidianaloogid herpese ja HIVi ravis. Ennetamisel on oluline vaktsineerimine, hügieen, desinfitseerimine ja nakkusjälitus.
Diagnoos ja ennetus
Viirusnakkusi tuvastatakse laboratoorselt mitmel moel: PCR‑põhised meetodid nukleiinhappe leidmiseks, antigeenitestid, seroloogilised testid antikehade tuvastamiseks ning elektronmikroskoopia ja kultuurimeetodid teatud juhtudel. Avaliku tervise meetmed (vaktsineerimine, kontaktide jälgimine, isolatsioon, hügieenimeetmed) vähendavad levikut ja tõsiseid tagajärgi.
Kokkuvõte
Viirused on lihtsa ülesehitusega, peremeesrakkudes paljunevad nakkusohtlikud osakesed. Nad võivad põhjustada laia valikut haigusi ja neid uurib Viroloogia. Kuigi antibiootikumid viiruseid ei mõjuta, on olemas vaktsiinid ja viirusevastased ravimid, ning ennetus ja varajane diagnoos on sageli parim viis haiguse leviku ja raskuse vähendamiseks. Viiruste roll looduses ja meditsiinis on mitmekesine: nad võivad olla haigustekitajad, mõjutada ökoloogiat ja olla tööriistad geenitehnoloogias (nt faagid laborikasutuses).
Genoom
| Viiruste genoomiline mitmekesisus | |
| Kinnisvara | Parameetrid |
| Nukleiinhape |
|
| Kuju |
|
| Strandedness |
|
| Sense |
|
Viirustes on palju genoomseid struktuure. Rühmana on neil suurem struktuuriline genoomiline mitmekesisus kui taimedel, loomadel, arheoididel või bakteritel. Erinevaid viirustüüpe on miljoneid, kuid ainult umbes 5000 neist on üksikasjalikult kirjeldatud. 49
Viirusel on kas RNA- või DNA-geenid ja seda nimetatakse vastavalt RNA- või DNA-viiruseks. Suuremal osal viirustest on RNA-genoom. Taimiviirustel on tavaliselt üheahelaline RNA-genoom ja bakteriofaagidel tavaliselt kahesõnaline DNA-genoom. 96/99
Viiruse replikatsioonitsükkel: 1-Attahendamine, 2-Penetreerimine, 3-Koorimine, 4-Süntees (4a-transkriptsioon, 4b-translatsioon, 4c-genoomi replikatsioon), 5-Assamblee, 6-Relaseerimine.
Replikatsioonitsükkel
Viiruspopulatsioonid ei kasva rakkude jagunemise teel, sest neil ei ole rakke. Selle asemel kasutavad nad peremeesraku masinavärki ja ainevahetust, et toota palju koopiaid iseendast, ning nad kogunevad (panevad kokku) rakus.
Viiruste elutsükkel on liigiti väga erinev, kuid viiruste elutsüklis on kuus põhietappi:75/91
- Kinnitumine on spetsiifiline sidumine viiruse kapsiidvalkude ja spetsiifiliste retseptorite vahel peremeesraku pinnal.
- Penetratsioon järgneb kinnitumisele: Viirused (üksikud viiruseosakesed) sisenevad peremeesrakku retseptor-vahendatud endotsütoosi või membraanifusiooni kaudu. Seda nimetatakse sageli viiruse sisenemiseks.
Taime- ja seenerakkude nakatumine erineb loomsete rakkude nakatumisest. Taimedel on tselluloosist ja seentel kitiinist valmistatud
jäik rakusein. See tähendab, et enamik viirusi saab nende rakkude sisse pääseda ainult jõuga. 70 Näide: viirus rändab putukavektoriga, mis toitub taimemahlast. Raku seintele tekitatud kahjustused lasevad viirusel sisse pääseda.
Bakteritel, nagu taimedelgi, on tugevad rakuseinad, millest viirus peab rakku nakatumiseks läbi pääsema. Kuid bakterite rakuseinad on palju õhemad kui taimede rakuseinad ja mõnel viirusel on mehhanismid, mis süstivad oma genoomi bakterirakku läbi rakuseina, samal ajal kui viiruse kapsiid jääb väljapoole
. 71 - Katte eemaldamine on protsess, mille käigus eemaldatakse viiruse kapsiid: See võib toimuda viiruse ensüümide või peremehe ensüümide poolt toimuva lagundamise või lihtsa dissotsiatsiooni teel; lõpptulemusena vabaneb viiruse nukleiinhape.
- Viiruste replikatsioon hõlmab genoomi paljundamist. Selleks on tavaliselt vaja toota viiruse sõnumitooja RNA-d (mRNA) "varajastest" geenidest. Suurema genoomiga keerukate viiruste puhul võib sellele järgneda üks või mitu mRNA sünteesi vooru: "hilise" geeni ekspressioon on struktuuri- või viiruse valkude ekspressioon.
- Pärast viiruse osakeste struktuuripõhist isekogunemist toimub sageli valkude mõningane modifitseerimine. Selliste viiruste nagu HIV puhul toimub see modifikatsioon (mida mõnikord nimetatakse küpsemiseks) pärast seda, kui viirus on peremeesrakust vabanenud.
- Viirused võivad vabaneda peremeesrakust lüüsi teel, mis tapab raku, lõhkudes selle membraani ja rakuseina. See on paljude bakterite ja mõnede loomsete viiruste omadus.
Mõne viiruse puhul pannakse viiruse genoom geneetilise rekombinatsiooni teel peremehe kromosoomi konkreetsesse kohta
. Viiruse genoomi nimetatakse siis "proviiriks" või bakteriofaagide puhul "profaagiks". 60
Iga kord, kui peremees jaguneb, paljuneb ka viiruse genoom. Viiruse genoom on peremeesrakus enamasti vaikiv; siiski võib proviirist või profaagist mingil hetkel tekkida aktiivne viirus, mis võib peremeesrakke
lüüsi viia. 15. peatükk
Hõlmatud viirused (nt HIV) vabanevad tavaliselt peremeesrakust pärast seda, kui viirus omandab oma ümbriku. Ümbris on modifitseeritud tükk peremeesorganismi plasmamembraanist. 185/7
Geneetiline materjal ja replikatsioon
Viiruseosakeste geneetiline materjal ja meetod, mille abil see materjal paljuneb, on eri tüüpi viiruste puhul väga erinev.
RNA-viirused
Replikatsioon toimub tavaliselt tsütoplasmas. RNA-viirused võib jaotada nelja erinevasse rühma sõltuvalt nende replikatsiooniviisidest. Kõik RNA-viirused kasutavad oma genoomi koopiate loomiseks oma RNA replikaasi ensüüme. 79
DNA-viirused
Enamiku DNA-viiruste genoomi replikatsioon toimub raku tuumas. Enamik DNA-viirusi sõltub täielikult peremeesraku DNA ja RNA sünteesimismasinast ning RNA töötlemise masinast. Suurema genoomiga viirused võivad suure osa sellest masinavärgist ise kodeerida. Eukarüootides peab viiruse genoom läbima raku tuumamembraani, et pääseda ligi sellele masinavärgile, samas kui bakterites peab see vaid sisenema rakku. 5478
Viiruste ümberkirjutamine
RNA-genoomiga pöördtranskribeeruvad viirused (retroviirused) kasutavad replikatsiooniks DNA-vahendit. DNA-genoomiga viirused (pararetroviirused) kasutavad genoomi replikatsioonil RNA vaheühendit. Nad on tundlikud viirusevastaste ravimite suhtes, mis inhibeerivad pöördtranskriptaasi ensüümi. Esimese tüübi näide on HIV, mis on retroviirus. Teise tüübi näited on Hepadnaviridae, mille hulka kuulub B-hepatiidi viirus. 88/9
See valevärviline transmissioonelektronmikroskoopiline foto kujutab gripiviiruse osakese ehk "virioni" ultrastruktuurseid üksikasju. Gripiviirus on üheahelaline RNA-organism.
Peremehe kaitsemehhanismid
Sündinud immuunsüsteem
Organismi esimene kaitseliin viiruste vastu on kaasasündinud immuunsüsteem. Sellel on rakud ja muud mehhanismid, mis kaitsevad peremeest mis tahes nakkuse eest. Sündinud süsteemi rakud tunnevad haigustekitajad ära ja reageerivad neile üldiselt.
RNA-interferents on oluline kaasasündinud kaitse viiruste vastu. Paljudel viirustel on replikatsioonistrateegia, mis hõlmab kahesuunalist RNA-d (dsRNA). Kui selline viirus nakatab rakku, vabastab ta oma RNA-molekuli. Selle külge kleepub valgu kompleks nimega dicer ja tükeldab RNA tükkideks. Seejärel käivitub biokeemiline rada, mida nimetatakse RISC-kompleksiks. See ründab viiruse mRNA-d ja rakk elab nakkuse üle.
Rotaviirused väldivad seda, kuna nad ei mähi end raku sees täielikult lahti ja vabastavad uut mRNAd läbi osakese sisemise kapsidi pooride. Genoomne dsRNA jääb kaitstult virioni südamiku sisse.
Interferooni tootmine on oluline peremeesorganismi kaitsemehhanism. See on hormoon, mida organism toodab viiruste olemasolul. Selle roll immuunsuses on keeruline; lõpuks peatab see viiruste paljunemise, tappes nakatunud raku ja selle lähinaabrid.
Kohanemisvõimeline immuunsüsteem
Selgroogsetel on teine, spetsiifilisem immuunsüsteem. Seda nimetatakse adaptiivseks immuunsüsteemiks. Kui see kohtub viirusega, toodab see spetsiifilisi antikehi, mis seovad viiruse ja muudavad selle mittenakkavaks. Olulised on kahte tüüpi antikehad.
Esimene neist, mida nimetatakse IgM-ks, on väga tõhus viiruste neutraliseerimisel, kuid seda toodetakse immuunsüsteemi rakkudes ainult mõne nädala jooksul. Teist, mida nimetatakse IgG-ks, toodetakse lõputult. IgM-i olemasolu peremehe veres kasutatakse ägeda nakkuse testimiseks, samas kui IgG viitab kunagi varem toimunud nakkusele. IgG antikehi mõõdetakse immuunsuse testimisel.
Teine selgroogsete kaitse viiruste vastu on rakuvahendatud immuunsus. See hõlmab T-rakkudena tuntud immuunrakke. Organismi rakud näitavad pidevalt oma valkude lühikesi fragmente raku pinnal, ja kui T-rakk tunneb seal ära kahtlase viiruse fragmendi, hävitavad tapja-T-rakud peremeesraku ja viirusspetsiifilised T-rakud paljunevad. Sellised rakud nagu makrofaagid on selle antigeeni esitamise spetsialistid.
Immuunsüsteemi vältimine
Kõik viirusnakkused ei tekita kaitsvat immuunvastust. Need püsivad viirused väldivad immuunsüsteemi kontrolli sekvestreerumise (varjumine), antigeeni esitluse blokeerimise, tsütokiiniresistentsuse, looduslike tapjarakkude aktiivsuse vältimise, apoptoosi (rakusurma) vältimise ja antigeeninihke (pinnavalkude muutmise) teel. HIV väldib immuunsüsteemi, muutes pidevalt viiruse pinnal olevate valkude aminohapete järjestust. Teised viirused, mida nimetatakse neurotroopilisteks viirusteks, liiguvad mööda närve kohtadesse, kuhu immuunsüsteem ei pääse.
Kaks rotaviirust: parempoolne on kaetud antikehadega, mis takistavad selle kinnitumist rakkudele ja nakatumist.
Evolution
Viirused ei kuulu ühessegi kuuest kuningriigist. Nad ei vasta kõigile nõuetele, et neid saaks liigitada elusorganismide hulka, sest nad ei ole aktiivsed enne nakatumist. See on siiski vaid sõnaline punkt.
Ilmselgelt on nad oma struktuuri ja toimimisviisi tõttu välja arenenud teistest elusolenditest, ja paljude endoparasiitide puhul esineb normaalse struktuuri kadumine. Viiruste päritolu elu evolutsioonilises ajaloos on ebaselge: mõned võivad olla arenenud plasmiididest - rakkude vahel liikuvatest DNA-tükkidest -, teised aga bakteritest. Evolutsioonis on viirused oluline vahend horisontaalseks geeniedastuseks, mis suurendab geneetilist mitmekesisust.
Hiljutised avastused
Hiljutise projekti käigus avastati peaaegu 1500 uut RNA-viirust, võttes proovid rohkem kui 200 selgrootute liigist. "Uurimisrühm... ekstraheeris nende RNA ja dešifreeris järgmise põlvkonna sekveneerimise abil selgrootute RNA raamatukogudes esineva hämmastava 6 triljoni tähe järjestuse". Uurimus näitas, et viirused muutsid oma RNA-d mitmete geneetiliste mehhanismide abil. "Selgrootute virom [näitab] tähelepanuväärset genoomilist paindlikkust, mis hõlmab sagedast rekombinatsiooni, külgset geenisiiret viiruste ja peremeeste vahel, geenide lisandumist ja kadumist ning keerulisi genoomilisi ümberkorraldusi".
Suurim viirus
Rühm suuri viiruseid nakatab amööbe. Suurim neist on Pithoviirus. Teised on suurusjärjekorras Pandoravirus, seejärel Megavirus, seejärel Mimiviirus. Nad on suuremad kui mõned bakterid ja valguse mikroskoobi all nähtavad.
Kasutab
Viiruseid kasutatakse rakubioloogias laialdaselt. Geneetikud kasutavad viiruseid sageli vektoritena, et viia geenid uuritavatesse rakkudesse. See on kasulik selleks, et panna rakku tootma võõrast ainet või uurida uue geeni genoomi sisseviimise mõju. Ida-Euroopa teadlased on juba mõnda aega kasutanud faagiteraapiat alternatiivina antibiootikumidele ning huvi selle meetodi vastu kasvab, sest mõned patogeensed bakterid on praegu väga resistentsed antibiootikumidele.
Küsimused ja vastused
K: Mis on viirus?
A: Viirus on pisike parasiit, mida saab näha ainult elektronmikroskoobi all. See koosneb valgukestast, mis katab nukleiinhappe, tavaliselt RNA või DNA, jada.
K: Mida uurib viroloogia?
V: Viroloogia uurib viiruseid ja nende mõju elusorganismidele.
K: Kuidas viirused paljunevad?
V: Viirused paljunevad, saades oma nukleiinhappeahela kas prokarüootide või eukarüootide rakku. Seejärel võtab RNA- või DNA-ahela üle raku masinavärgi, et paljundada enda koopiaid ja valgukesta, enne kui see lõhkeb ja levitab vastloodud viiruseid.
K: Kas on olemas vabalt elavaid viiruseid?
V: Ei, kõik viirused on parasiidid, mis peavad paljunemiseks elama teiste elusolendite sees.
K: Milliseid haigusi võivad põhjustada viirused?
V: Viirused võivad põhjustada mitmesuguseid haigusi, näiteks lastehalvatust, ebolatsiat ja hepatiiti.
K: Kuidas toimivad vaktsiinid viirusnakkuste vastu?
V: Vaktsiinid annavad kunstlikult omandatud immuunsuse konkreetse viirusnakkuse vastu, kuid mõned viirused (sealhulgas need, mis põhjustavad AIDSi ja viirushepatiiti) pääsevad nendest immuunvastustest ja põhjustavad kroonilisi infektsioone.
K: Kas antibiootikume saab kasutada viiruste vastu?
V: Ei, antibiootikumid ei mõjuta viiruseid, kuid on olemas mõned muud ravimid, mida saab nende vastu kasutada.
Otsige