VIRUKSET

Virusten rakenne

Virukset rakentuvat yksinkertaisimmillaan genomista ja sitä ympäröivästä proteiinikuoresta eli kapsidista. Joillain viruksilla nukleokapsidia ympäröi vielä lipidikalvosta ja siihen uponneista proteiineista koostuva vaippa.

Kapsidi

Kapsidi (engl. capsid, coat, shell) rakentuu yksittäisistä proteiinimolekyyleistä, jotka ovat järjestäytyneet nukleiinihapon ympärille. Kapsidi voi olla muodoltaan sauvamainen tai pyöreä. Sauvamaiset virukset ovat symmetrialtaan helikaalisia, pyöreät ikosahedraalisia. Useimmilla viruksilla kapsidi rakentuu muutamista erilaisista rakenneproteiineista, jotka järjestäytyvät suuremmiksi kokonaisuuksiksi. Näitä morfologisia yksiköitä kutsutaan kapsomeereiksi (engl. capsomere). Viruksen genomi ja sitä ympäröivä proteiinikuori muodostavat nukleokapsidiksi kutsutun rakenteen.

Nukleiinihappo

Virusten nukleiinihappo voi olla joko DNA:ta tai RNA:ta, yksi- tai kaksisäikeistä, lineaarinen tai sirkulaarinen. RNA virusten genomi voi olla myös segmentoituneena useiksi eri molekyyleiksi. Virusten genomi on kooltaan huomattavasti pienempi kuin eukaryootti- tai bakteerisoluilla ja siinä olevien geenien määrä vaihtelee.

Viruksen entsyymit

Jotkin virukset sisältävät entsyymejä, jotka osallistuvat infektioprosessiin. Viruksella saattaa olla esimerkiksi oma nukleiinihappopolymeraasi, joka toimii transkriptiossa (RNA virukset). Esimerkiksi retrovirukset sisältävät käänteiskopioijaentsyymiä, jota ne tarvitsevat RNA-genominsa kopioimiseksi DNA-muotoon. Virusten sisältämät entsyymit voivat toimia myös soluun sisäänmenovaiheessa tai solusta vapatumisvaiheessa (esim. neuraminidaasit, bakteriofaagien lysotsyymi).

Vaippa

Joillain viruksilla nukleokapsidia ympäröi lipideistä koostuva kaksoiskerroksinen kalvorakenne, vaippa, joka on peräisin isäntäsolusta. Vaippaan on uponneena viruksen koodaamia proteiineja, yleensä glykoproteiineja, joilla on tehtävä isäntäsolun tunnistamisessa ja infektion aloitamisessa.

 Genomit

Virusgenomien koostumuksen ja rakenteen vaihtelevuus on huomattavasti suurempaa kuin bakteereilla, kasveilla tai eläimillä. Koska virukset ovat obligatorisia solun sisäisiä parasiitteja, isäntäsolun täytyy kyetä tunnistamaan ja lukemaan virusgenomin sisältämä informaatio.

Virusten nukleiinihappo voi olla yksi- tai kaksijuosteista, DNA:ta tai RNA:ta, Eläinviruksilla on tavattu kaikkia neljää mahdollista genomiyhdistelmää, kun taas kasvivirusten genomit ovat usein ssRNA:ta ja bakteriofagien dsDNA:ta.

 Polaarisuudeltaan yksijuosteiset virusgenomit voivat olla positiivisia (+) (eli samaa polaarisuutta kuin mRNA), negatiivisia (-) tai ambisense-muotoisia (eli sekä positiivisessa että negatiivisessa orientaatiossa, mm. Bunyaviridae- ja Arenaviridae-heimot). Positiivisjuosteista RNA-genomia voidaan käyttää suoraan translaatiossa, kun taas negatiivisjuosteiselle RNA-genomille täytyy syntetoida ensin RNA-polymeraasin avulla positiivinen vastinjuoste, jota voidaan käyttää translaatiossa.

Muodoltaan virusgenomit voivat olla lineaarisia, sirkulaarisia tai segmentoituneita. Kaikki dsRNA-genomit ja osa ssRNA-genomeista on jakautunut erillisiksi segmenteiksi. Kooltaan virusten genomit vaihtelevat noin 3 500 nukleotidista (esim. Leviviridae-heimon bakteriofagit MS2 ja Qβ) noin 1,2 miljoonaan emäspariin (Mimivirus).

Virusten lisääntyminen

Virusten lisääntymisen vaiheet ovat:

1. Tarttuminen isäntäsolun pinnalle (attachment)

2. Tunkeutuminen isäntäsoluun (penetration)

3. Kapsidin hajoaminen ja genomin vapautuminen (uncoating)

4. Replikaatio (replication)

5. Geenien ilmentyminen (gene expression)

 6. Uusien virusten kokoaminen (assembly)

 7. Kypsyminen (maturation)

 8. Vapautuminen solusta (release)

Tarttuminen

Viruksen tarttuminen solun pinnalle edellyttää viruksen pintaproteiinin (’antireseptorin’) kiinnittymistä solupinnan reseptorimolekyyliin. Näitä reseptorimolekyylejä tunnetaan useita, ja ne ovat normaaleja solukalvon rakenneosia (esim. kalvoon kiinnittyneet reseptorit, transmembraaniset transporterit ja kanavat, immunoglobuliinien kaltaiset molekyylit). Reseptoreina voivat toimia solupinnan proteiinit (yleensä glykoproteiinit) tai glykoproteiinien ja glykolipidien hiilihydraattitähteet. Virukset käyttävät yleensä vain tiettyjä proteiineja reseptoreinaan, joten ne ovat spesifisempiä reseptoreita kuin hiilihydraattiryhmät, joita voi esiintyä useiden solukalvoon sitoutuneiden molekyylien pinnalla.

Isäntäsolun solukalvon reseptoriproteiinit määräävät suurelta osin viruksen tropismin, eli solutyypin, jossa virus kykenee replikoitumaan. Jotkin virukset saattavat tarvita solun sisään päästäkseen useamman kuin yhden reseptoriproteiinin. Esimerkiksi adenoviruksen tarttuminen solupinnalle on kaksivaiheinen prosessi, jossa ainoastaan kahden eri reseptorimolekyylin yhteistoiminta mahdollistaa reseptorivälitteisen endosytoosin. Samankaltainen tilanne tunnetaan HI-viruksella, joka tarvitsee reseptorikseen auttaja T-solujen CD4 antigeenin lisäksi beta-kemokiini reseptorin. Kahden reseptorimolekyylin käyttö säätelee viruksen tropismia tiukemmin.

Yleensä virus käyttää solun pintaan tarttuessaan jotain reseptorimolekyyliä, mutta se ei ole välttämätön edellytys solun infektoimiseksi. Tiedetään, että jotkin virukset pääsevät soluun sisälle myös pinosytoosin tai fagosytoosin kautta, mutta se on kuitenkin harvinaista. On myös huomattavaa, että kasvivirusten ei tiedetä käyttävän spesifisiä reseptoreita soluun tunkeutuessaan. Niiden pääsyä isäntäsoluun edesauttavat soluseinän vauriot, jotka syntyvät esim. mekaanisesti.  Kasvivirukset leviävät myös siementen sekä erilaisten välittäjien eli vektoreiden (esim. bakteerit, sienet, sukkulamadot, niveljalkaiset, hämähäkkieläimet) välityksellä.

Tunkeutuminen

Kohdesoluun tunkeutuminen tapahtuu nopeasti viruksen tartuttua solupinnan reseptoriin. Tunkeutuminen on energiaa vaativa prosessi, joka voi tapahtua vain metabolisesti aktiivisissa soluissa.

Mekanismi, jolla virus tunkeutuu soluun riippuu viruksen rakenteesta, isäntäsolusta ja isäntäsolun solupinnan rakenteista. Esimerkiksi bakteereihin, joilla on vahva soluseinä, tunkeutuminen tapahtuu eri tavalla kuin eläinsoluihin. Eläinvirukset tunkeutuvat tavallisesti isäntäsolun sisälle kokonaan, kun taas bakteriofaageista yleensä vain genomi pääsee sisälle soluun kuoriproteiinien jäädessä suuremmaksi osaksi solun ulkopuolelle.

Vaipallisilla eläinviruksilla tunkeutuminen soluun voi tapahtua virusvaipan ja solukalvon tai muun solun sisäisen membraanin fuusioitumisella, jolloin viruksen nukleokapsidi vapautuu sytoplasmaan. Kalvofuusiota saattaa avustaa erityinen fuusioproteiini, jonka toiminta on usein pH-riippuvaista. Yleinen virusten käyttämä sisääntulomekanismi on endosytoosi, jota myös monet vaipattomat virukset käyttävät. Endosomista vapautuminen liittyy vaipallisilla viruksilla läheisesti uncoating-tapahtumaan, koska ne menettävät kapsidia suojaavan vaippansa kalvofuusion seurauksena. Tapahtuma on usein pH:sta riippuvaista, koska endosomin sisällön happamoituminen johtaa viruksen fuusioproteiinin aktivoitumiseen.

Endosytoosin hyväksikäyttö on hyödyllistä virukselle, koska se pääse kulkeutumaan endosomien sisällä syvälle sytoplasmaan, eikä solun pinnalle jää virusproteiineja, jotka immuunipuolustus voisi tunnistaa.

Kuoriutuminen

Soluun tunkeutumisen jälkeen viruksen kapsidi hajoaa joko osittain tai kokonaan, ja viruksen genomi paljastuu. Tästä tapahtumaketjusta käytetään nimitystä ”uncoating”, kuoriutuminen.

Vaipallisilla viruksilla uncoating-tapahtuman voidaan katsoa alkavan jo viruskapsidia suojaavan vaipan poistumisella kalvofuusiossa joko solukalvolla tai endosomien kalvoilla. Kalvofuusiota ohjaavat viruksen fuusioproteiinit. Ne aktivoituvat konformaatiomuutoksen seurauksena, jonka saattaa laukaista endosomien alhainen pH tai solukalvon reseptoriin sitoutuminen. Kalvofuusio voi siis olla joko pH:sta riippuvaista tai riippumatonta. Alhainen pH saattaa joissain tapauksissa nopeuttaa myös kapsidin hajoamista, kuten influenssaviruksella, jonka M2-ionikanava päästää sisään vetyioneja.

Pikornaviruksilla penetraatio endosomeista sytoplasmaan liittyy kiinteästi uncoating-tapahtumaan. Endosomien alhainen pH paljastaa kapsidin pinnalta hydrofobisia domeeneja, joiden avulla kapsidi kiinnittyy tiukasti endosomin kalvoon. Samalla muodostuu aukkoja, joiden läpi genomi vapautuu sytoplasmaan.

Uncoating-tapahtuman ajoitus ja laajuus riippuu viruslajista. Herpesviruksen, adenoviruksen ja polyomaviruksen kapsidit pysyvät penetraation jälkeen lähes kokonaisina. Niiden kapsidit sisältävät sekvenssejä, joiden avulla kiinnittyminen solutukirankaan ja sitä pitkin tumaan siirtyminen on mahdollista. Lopullinen uncoating tapahtuu vasta virusten saavutettua tumahuokosen. Myöskään reo- ja poxviruksilla ei tapahdu täydellisiä uncoating-vaiheita penetraation jälkeen, vaan genomin replikaatio tapahtuu kypsiä virioneja muistuttavissa sytoplasmisissa partikkeleissa.

Pääsääntöisesti viruksen genomin vapautuminen nukleokapsidista on riippuvaista genomin laadusta. Yleensä RNA virukset vapauttavat genominsa sytoplasmaan, kun taas DNA virusten genomi vapautuu tumassa. Tästä pääsäännöstä on kuitenkin poikkeuksia: esimerkiksi poxvirusten DNA genomi jää sytoplasmaan, kun taas influenssaviruksen RNA segmentit hakeutuvat tumaan.

Replikaatio

Virukset ovat lisääntyessään riippuvaisia solun tuottamasta energiasta, ja ne käyttävät hyväkseen solun proteiinisynteesikoneistoa. Virusten on tuotettava toiminnallisia lähetti-RNA molekyylejä, jotka koodaavat viruksen genomin replikaatiota katalysoivia ja sääteleviä replikaasiproteiineja sekä viruksen rakenneproteiineja.

Positiivisäikeiset RNA-virukset (mm. pikornavirukset)

Positiivisäikeisten RNA virusten genomin replikaatioon tarvitaan RNA:sta riippuvaista RNA polymeraasia, jota soluissa ei esiinny. Se tuotetaan infektion alkuvaiheessa suoraan mRNA:na toimivasta virusgenomista. Polymeraasi syntetoi yksijuosteiselle positiiviselle RNA-genomille komplementaarisen negatiivisen vastinsäikeen, jota käytetään mallina tuotettaessa lisää positiivisäikeisiä RNA-juosteita. Replikaatio tapahtuu sytoplasmassa.

Negatiivisäikeiset ssRNA (mm. rhabdovirukset ja orthomyxovirukset) ja dsRNA-virukset (mm. reovirukset)

Negatiivisäikeisten ssRNA-virusten samoin kuin dsRNA-virusten genomi ei voi toimia suoraan lähetti-RNA:na. Nämä virukset käyttävät partikkelissaan mukana ollutta RNA-riippuvaista RNA-polymeraasia positiivissäikeisten RNA-juosteiden syntetoimiseen, jotka voivat toimia templaattina transkriptiossa. Replikaatio tapahtuu sytoplasmassa.

DNA virukset (mm. adeno-, herpes- ja poxvirukset)

dsDNA-virusten tapauksessa genomin replikaatio tapahtuu isäntäsolun tapaan ja DNA toimii suoraan mRNA:n templaattina. Yksijuosteiset DNA-virukset (parvovirukset) syntetoivat ensin genomilleen vastinjuosteen, jolloin dsDNA toimii transkriptiossa templaattina. DNA virusten replikaatio tapahtuu tumassa lukuun ottamatta pox-viruksia, jotka replikoituvat sytoplasmassa.

Retrovirukset (mm. HIV)

Retrovirusten genomi on positiivijuosteinen ssRNA, joka kopioidaan yksijuosteisen DNA-välivaiheen kautta kaksijuosteiseksi DNA:ksi käyttäen apuna viruksen omaa käänteiskopioijaentsyymiä. dsDNA toimii mallina tuotettaessa mRNA:ta.

Geenien ilmentyminen

Virusinfektiossa eri proteiinien tuotantoajankohta sekä tuotettujen proteiinien määrä on tarkoituksenmukaisesti säädeltyä. Virus säätelee itse omien proteiiniensa tuotantoa, mutta se valjastaa isäntäsolun metabolisen koneiston (ravinteet, energian, entsyymit, ribosomit, tRNA:t jne.) tuottamaan jälkeläisvirusten rakenneyksiköitä ja lisääntymissyklin aikana tarvittavia entsyymejä. Riippuvuus isäntäsolun biosynteettisestä koneistosta on viruslajikohtaista. Genomin replikaatio ja ekspressio ovat tiukasti toisiinsa kytköksissä etenkin RNA-virusten kohdalla.

Virusinfektion aikana tapahtuva proteiinisynteesi voidaan karkeasti jakaa kahteen vaiheeseen. Ensimmäisessä vaiheessa, ns. varhaisessa vaiheessa, tapahtuu viruksen nukleiinihapposynteesi. Tässä vaiheessa tuotetaan myös tyypillisesti pieniä määriä katalyyttisiä virus-spesifisiä entsyymejä, joita tarvitaan replikaation aikana.

Virusinfektion toisessa vaiheessa tuotetaan suuria määriä ns. myöhäisen vaiheen proteiineja, joihin kuuluvat viruksen rakenneproteiinit (kapsidi- ja matriksiproteiinit, vaipan glykoproteiinit jne.). Tässä vaiheessa tuotetaan myös maturaation aikana tarvittavia entsyymejä.

Kokoaminen

Virusinfektion loppuvaiheessa solussa tuotetut viruskapsidien rakenneproteiinit, monistetut virusgenomit sekä vaipallisten virusten vaippaproteiinit kootaan uusiksi viruspartikkeleiksi. Rakenneproteiinit tuotetaan eri puolilla sytoplasmaa, josta ne kuljetetaan kokoamispaikalle. Virusten kokoaminen on itseohjautuva (engl. self-assembly) tapahtuma, jossa kokoamiseen tarvittava tieto on koodattuna virusproteiinien rakenteeseen. Kokoamistapahtumaa avustavat usein kaitsijaproteiinit (engl. chaperons), jotka auttavat proteiinien laskostumisessa ja rakenneosien kokoamisessa. Uusien viruspartikkeleiden muodostuminen suurilla ja monimutkaisilla viruksilla voi olla monivaiheinen prosessi, jossa on useita morfogeneettisia vaiheita (esim. vaccinia virus).

Kokoamisen viimeinen vaihe tapahtuu valtaosalla vaipattomista viruksista tumassa, vaikka se voi tapahtua myös sytoplasmassa, kuten pikornaviruksiin kuuluvan polioviruksen tapauksessa. Vaipallisilla viruksilla kokoamisen viimeinen vaihe tapahtuu yleensä solukalvolla, tai solun sisäisillä kalvoilla, kuten esimerkiksi ER:lla (flavivirus) tai Golgin laitteessa (bunyavirus). Nämä virukset eritetään ulos solusta eksosytoottista reittiä pitkin. Joidenkin virusten kohdalla (mm. influenssa-, HI-, tuhkarokko- ja rotavirus) kokoaminen, silmikointi ja solusta vapautuminen tapahtuvat tietyillä kalvoalueilla, ns. lipidilautoilla (lipid rafts).

Maturaatio

Maturaatiolla tarkoitetaan viruksen elinkierron vaihetta, jolloin virus muuttuu infektiiviseksi. Maturaation aikana virukset muuntuvat siten, että ne kykenevät infektoimaan uusia soluja, eli virusten antigeenisyys muuttuu. Joillain viruksilla kokoaminen ja maturaatio tapahtuvat isäntäsolun sisällä toisistaan erillisinä tapahtumina, kun taas joillain viruslajeilla kysyminen tapahtuu vasta solusta vapautumisen jälkeen.

Maturaatiovaiheeseen liittyy yleensä viruspartikkelin rakenteellisia muutoksia, jotka kohdistuvat kapsidiproteiineihin. Myös viruspartikkelin sisäiset muutokset, kuten esimerkiksi virusgenomin nukleoproteiinien kondensoituminen aiheuttavat muutoksia antigeenisyyteen.

Viruksen kapsidiproteiinien muokkaus voi tapahtua proteolyyttisesti, jolloin spesifiset katkaisureaktiot tuottavat kypsiä proteiinimuotoja. Vaihtoehtoisesti muutokset kuoriproteiinien konformaatiossa voivat tapahtua jo kapsidien kokoamisvaiheessa. Maturaatiotapahtumassa aktiiviset proteaasit ovat joko viruksen koodaamia tai isäntäsolun entsyymejä.

Virusten vapautuminen solusta

Useimmat vaipattomat virukset (lyyttiset virukset) aiheuttavat vapautuessaan yleensä isäntäsolun hajoamisen, kun taas vaipalliset virukset vapautuvat ulos solusta silmikoitumalla (engl. budding). Silmikoitumistapahtumassa ne saavat ympärilleen kapsidia suojaavan, viruksen proteiineja ja glykoproteiineja sisältävän vaipan. Silmikoituminen voi olla hyvin haitallista solulle viruslajista riippuen (paramykso-, rhabdo- ja togavirukset), tai se ei välttämättä tuhoa isäntäsolua, joka voi jatkaa uusien virusten tuottamista pitkiäkin aikoja (esim. retrovirukset).  

Silmikoituvien virusten kokoaminen, maturaatio ja vapautuminen ovat hyvin yhtäaikaisia tapahtumia solussa. Viruslajista riippuen silmikoituminen voi tapahtua solukalvolta, sytoplasmisilta kalvoilta tai tumakalvolta (herpesvirukset). Solukalvolta silmikoituvat virukset vapautuvat samalla ulos solusta, kun taas solun sisäisiltä kalvoilta silmikoituvat virukset kuljetetaan solusta ulos eksosytoosirakkuloissa. 

http://www.solunetti.fi/fi/solubiologia/virusten_rakenne/