Virukset — mitä ne ovat: rakenne, lisääntyminen ja taudit

Viruksissa on monia genomirakenteita. Ryhmänä ne ovat monimuotoisempia kuin kasvit, eläimet, arkeologit tai bakteerit. Erilaisia virustyyppejä on miljoonia, mutta niistä vain noin 7000 on kuvattu yksityiskohtaisesti.⁴⁹

Viruksella on joko RNA- tai DNA-geenit, joten sitä kutsutaan RNA- tai DNA-virukseksi. Valtaosalla viruksista on RNA-genomi. Kasviviruksilla on yleensä yksijuosteinen RNA-genomi ja bakteriofageilla yleensä kaksijuosteinen DNA-genomi.^96/99

Alle 7 000 lajia on kuvattu yksityiskohtaisesti, mutta niitä on epäilemättä löydettävänä vielä paljon enemmän.

Viruspopulaatiot eivät kasva solunjakautumisen kautta, koska niillä ei ole soluja. Sen sijaan ne käyttävät isäntäsolun koneistoa ja aineenvaihduntaa tuottaakseen useita kopioita itsestään, ja ne kootaan (yhdistetään) solussa.

Virusten elinkaari vaihtelee suuresti eri lajien välillä, mutta virusten elinkaaressa on kuusi perusvaihetta:^75/91

• Kiinnittyminen on viruskapsidiproteiinien ja isäntäsolujen pinnalla olevien erityisten reseptorien välistä sitoutumista.
• Tunkeutuminen seuraa kiinnittymistä: Virukset (yksittäiset viruspartikkelit) pääsevät isäntäsoluun reseptorivälitteisen endosytoosin tai lipidikaksoiskerroksen fuusion kautta. Tätä kutsutaan viruksen sisäänpääsyksi.
   Kasvi- ja sienisolujen infektio eroaa eläinsolujen infektiosta. Kasveilla on selluloosasta ja sienillä kitiinistä
   koostuva jäykkä soluseinä. Tämä tarkoittaa, että useimmat virukset pääsevät näiden solujen sisään vain väkisin.⁷⁰ Esimerkkinä voidaan mainita, että virus kulkee hyönteisvektorin mukana, joka syö kasvimehua. Soluseinien vaurioituminen päästäisi viruksen sisään.
   Bakteereilla, kuten kasveillakin, on vahvat soluseinät, joiden läpi viruksen on päästävä tartuttaakseen solun. Bakteerien soluseinät ovat kuitenkin paljon ohuempia kuin kasvien soluseinät, ja joillakin viruksilla on mekanismeja, jotka ruiskuttavat genominsa bakteerisolun sisään, kun taas viruskapsiidi jää ulkopuolelle.⁷¹
• Päällysteen poistaminen tarkoittaa viruksen kapsidin poistamista: Tämä voi tapahtua virusentsyymien tai isännän entsyymien avulla tai yksinkertaisesti dissosioitumalla; lopputuloksena on viruksen nukleiinihapon vapautuminen.
• Virusten monistuminen on genomin monistumista. Tämä tarkoittaa yleensä viruksen lähetti- RNA:n (mRNA) tuottamista "varhaisista" geeneistä. Monimutkaisten virusten osalta tätä voi seurata yksi tai useampi uusi mRNA-synteesikierros: "myöhäisten" geenien ilmentyminen on rakenne- tai virioniproteiinien ilmentymistä.
• Virushiukkasten itsekokoonpanon jälkeen proteiineihin tapahtuu usein jonkin verran muutoksia. HIV:n kaltaisissa viruksissa tämä muutos (jota kutsutaan joskus kypsymiseksi) tapahtuu sen jälkeen, kun virus on vapautunut isäntäsolusta.
• Virukset voivat vapautua isäntäsolusta lyysaamalla, joka on prosessi, jossa solu kuolee puhkaisemalla sen kalvon ja soluseinän. Tämä on ominaista monille bakteeriviruksille ja joillekin eläinviruksille.
  Joissakin viruksissa viruksen perimä asetetaan geneettisen rekombinaation avulla tiettyyn paikkaan isännän kromosomissa. Viruksen genomi tunnetaan tällöin nimellä "provirus" tai bakteriofagien tapauksessa "profaagi".⁶⁰
   Aina kun isäntä jakautuu, myös viruksen genomi monistuu. Viruksen genomi on isännässä enimmäkseen hiljainen; jossain vaiheessa provirus tai profaagi voi kuitenkin synnyttää aktiivisen viruksen, joka voi lyysiä isäntäsoluja. ^{15. luku}
  Kuorelliset virukset (esim. HIV) vapautuvat isäntäsolusta tyypillisesti sen jälkeen, kun virus on saanut kuorensa. Kuori on isännän plasmakalvon modifioitu pala.^185/7

Geenimateriaali ja monistuminen

Virushiukkasten sisältämä geneettinen materiaali ja menetelmä, jolla materiaali monistuu, vaihtelevat huomattavasti eri virustyyppien välillä.

RNA-virukset

Replikaatio tapahtuu yleensä sytoplasmassa. RNA-virukset voidaan jakaa neljään eri ryhmään niiden replikaatiotapojen mukaan. Kaikki RNA-virukset käyttävät omia RNA-replikaasientsyymejään kopioiden luomiseen genomistaan.⁷⁹

DNA-virukset

Useimpien DNA-virusten genomin monistuminen tapahtuu solun ytimessä. Useimmat DNA-virukset ovat täysin riippuvaisia isäntäsolun DNA:n ja RNA:n synteesikoneistosta ja RNA:n prosessointikoneistosta. Virukset, joilla on suurempi genomi, voivat koodata suuren osan näistä koneistoista itse. Eukaryooteissa viruksen genomin on ylitettävä solun ydinkalvo päästäkseen käsiksi näihin koneistoihin, kun taas bakteereissa sen tarvitsee vain päästä solun sisään.⁵⁴⁷⁸

Virusten käänteinen transkribointi

RNA-genomilla varustetut käänteiskirjoittavat virukset (retrovirukset) käyttävät DNA-välikappaletta monistumiseen. Ne, joilla on DNA-genomi (pararetrovirukset), käyttävät RNA-välikappaletta genomin replikaation aikana. Ne ovat alttiita käänteistä transkriptaasientsyymiä estäville viruslääkkeille. Esimerkki ensimmäisestä tyypistä on HIV, joka on retrovirus. Esimerkkejä toisesta tyypistä ovat Hepadnaviridae-heimo, johon kuuluu B-hepatiittivirus.^88/9

 

Synnynnäinen immuunijärjestelmä

Elimistön ensimmäinen puolustuslinja viruksia vastaan on synnynnäinen immuunijärjestelmä. Siinä on soluja ja muita mekanismeja, jotka puolustavat isäntää infektioita vastaan. Synnynnäisen järjestelmän solut tunnistavat patogeenit ja reagoivat niihin yleisellä tavalla.

RNA-interferenssi on tärkeä synnynnäinen puolustuskeino viruksia vastaan. Monilla viruksilla on replikaatiostrategia, joka sisältää kaksijuosteista RNA:ta (dsRNA). Kun tällainen virus tarttuu soluun, se vapauttaa RNA-molekyylinsä. Proteiinikompleksi nimeltä dicer tarttuu siihen ja pilkkoo RNA:n palasiksi. Sitten käynnistyy biokemiallinen reitti, jota kutsutaan RISC-kompleksiksi. Tämä hyökkää viruksen mRNA:n kimppuun, ja solu selviää infektiosta.

Rotavirukset välttävät tämän, koska ne eivät purkaudu kokonaan solun sisällä ja koska ne vapauttavat hiljattain tuotettua mRNA:ta hiukkasen sisäisen kapsidin huokosten kautta. Genominen dsRNA pysyy suojattuna virionin ytimen sisällä.

Interferonin tuotanto on tärkeä isännän puolustusmekanismi. Tämä on hormoni, jota elimistö tuottaa virusten läsnä ollessa. Sen rooli immuniteetissa on monitahoinen; se lopulta estää viruksia lisääntymästä tappamalla tartunnan saaneen solun ja sen lähinaapurit.

Adaptiivinen immuunijärjestelmä

Selkärankaisilla on toinen, spesifisempi immuunijärjestelmä. Sitä kutsutaan adaptiiviseksi immuunijärjestelmäksi. Kun se kohtaa viruksen, se tuottaa spesifisiä vasta-aineita, jotka sitoutuvat virukseen ja tekevät siitä tarttumattoman. Kaksi vasta-ainetyyppiä on tärkeitä.

Ensimmäinen, nimeltään IgM, neutraloi viruksia erittäin tehokkaasti, mutta immuunijärjestelmän solut tuottavat sitä vain muutaman viikon ajan. Toista, IgG:tä, tuotetaan loputtomiin. IgM:n esiintymistä isännän veressä käytetään akuutin infektion testaamiseen, kun taas IgG osoittaa infektion tapahtuneen joskus aiemmin. IgG-vasta-aine mitataan, kun tehdään immuniteettitestejä.

Toinen selkärankaisten puolustautumiskeino viruksia vastaan on T-soluiksi kutsutut immuunisolut. Elimistön solut näyttävät jatkuvasti lyhyitä proteiiniensa fragmentteja solun pinnalla, ja jos T-solu tunnistaa siellä epäilyttävän viruksen fragmentin, tappaja-T-solut tuhoavat isäntäsolun ja virusspesifiset T-solut lisääntyvät. Makrofagien kaltaiset solut ovat tämän antigeenin esittelyn asiantuntijoita.

Immuunijärjestelmän kiertäminen

Kaikki virusinfektiot eivät aiheuta suojaavaa immuunivastetta. Nämä pysyvät virukset kiertävät immuunijärjestelmän valvontaa sekvestroimalla (piiloutumalla), sytokiiniresistenssillä, luonnollisten tappajasolujen aktiivisuuden kiertämisellä, apoptoosin (solukuoleman) välttämisellä ja antigeenisiirtymällä (muuttamalla pintaproteiineja). HIV kiertää immuunijärjestelmää muuttamalla jatkuvasti virionin pinnalla olevien proteiinien aminohapposekvenssiä. Muut virukset liikkuvat hermoja pitkin paikkoihin, joihin immuunijärjestelmä ei pääse.

Virukset eivät kuulu mihinkään kuudesta valtakunnasta. Ne eivät täytä kaikkia eläväksi organismiksi luokittelemisen edellytyksiä, koska ne ovat aktiivisia vasta tartuntahetkellä. Tämä on kuitenkin vain sanallinen seikka.

On selvää, että niiden rakenne ja toimintatapa merkitsevät sitä, että ne ovat kehittyneet muista elävistä olennoista, ja monissa endoparasiiteissa esiintyy normaalin rakenteen häviämistä. Virusten alkuperä elämän evoluutiohistoriassa on epäselvä: jotkin virukset ovat saattaneet kehittyä plasmideista - DNA:n palasista, jotka voivat liikkua solujen välillä - kun taas toiset ovat saattaneet kehittyä bakteereista. Evoluutiossa virukset ovat tärkeä horisontaalisen geeninsiirron väline, joka lisää geneettistä monimuotoisuutta.

Äskettäisessä hankkeessa löydettiin lähes 1500 uutta RNA-virusta ottamalla näytteitä yli 200 selkärangattomasta lajista. "Tutkimusryhmä... uutti niiden RNA:ta ja seuraavan sukupolven sekvensoinnin avulla purki selkärangattomien RNA-kirjastoissa olevien huikeiden kuuden biljoonan kirjaimen sekvenssin". Tutkimus osoitti, että virukset muuttivat RNA:nsa palasia erilaisilla geneettisillä mekanismeilla. "Selkärangattomien viromi [osoittaa] huomattavaa genomista joustavuutta, johon kuuluu usein tapahtuvaa rekombinaatiota, lateraalista geeninsiirtoa virusten ja isäntien välillä, geenien lisääntymistä ja häviämistä sekä monimutkaisia genomisia uudelleenjärjestelyjä".

Miten bakteerit ja arkeologit käsittelevät viruksia?

Viruksia on ollut tällä planeetalla jo kauan. Tiedämme nyt, että bakteerit ja arkeologit joutuivat ensin tekemisiin niiden kanssa, ennen kuin meidän soluelämämme kehittyi. Yksityiskohtia arkeoiden ja bakteerien käyttämistä puolustusmekanismeista käsitellään CRISPR-sivulla, jossa esitellään lyhyesti virusten varhaista puolustautumista.

Ryhmä suuria viruksia tartuttaa ameeboja. Suurin niistä on Pithovirus. Muut ovat suuruusjärjestyksessä Pandoravirus, Megavirus ja Mimivirus. Ne ovat suurempia kuin jotkut bakteerit, ja ne näkyvät valomikroskoopilla.

Viruksia on meressä kaikkialla. Niitä saattaa olla ainakin kertaluokkaa enemmän kuin kaikkia muita meren eliöitä. Virukset vaikuttavat valikoivan tartunnan kautta ravinteiden kiertoon ja evoluutioon meressä.

Viruksia käytetään laajalti solubiologiassa. Geneetikot käyttävät usein viruksia vektoreina, joilla he voivat siirtää geenejä tutkimiinsa soluihin. Tämä on hyödyllistä, kun solu halutaan saada tuottamaan vierasta ainetta tai kun halutaan tutkia, miten uuden geenin lisääminen perimään vaikuttaa. Itäeurooppalaiset tutkijat ovat jo jonkin aikaa käyttäneet faagiterapiaa vaihtoehtona antibiooteille, ja kiinnostus tätä lähestymistapaa kohtaan on lisääntymässä, koska jotkin patogeeniset bakteerit ovat nykyään hyvin resistenttejä antibiooteille.