Vírus (viruses) Impacto: em Saude Pública, Agricultura, Economia, etc. (impact in Public Health, Agriculture, Economy, etc.)

(1)

Vírus

(viruses)

• Agentes infecciosos não-celulares

(noncellular infeccious agents)

Impacto: em Saude Pública, Agricultura, Economia, etc.

(impact in Public Health, Agriculture, Economy, etc.)

Microbiologia 2016 Cristina Viegas

(2)

(Tortora, Funke e Case, Microbiology – an Introduction, 6th edition)

Compared with cellular microorganisms:

• Viruses have a simpler structural organization;

• They have one single type of nucleic acid (ssDNA or dsDNA or ssRNA or dsRNA)

• They are obligatory intracellular parasites and infect specific living hosts: there

(3)

Structure of virus (general)

Helical configuration

with

icosahedral

symmetry and

enveloped

_complex

Icosahedral

symmetry

(4)

Estrutura dos vírus (geral)

• Nucleocápside

– Genoma do vírus (

uma ou mais moléculas de ADN ou ARN, em cadeia simples

(ss) ou cadeia dupla (ds)

) envolvido por estrutura de proteínas (cápside)

• Cápside

– Camada de proteínas que envolve o genoma viral

– Protege o genoma, e pode estar envolvida na transferência do virus

para a célula hospedeira

– Constituída por muitas cópias de um ou mais tipos de unidades

proteicas denominadas capsómeros (cada capsómero pode ser

constituido por 5 ou 6 subunidades de proteínas).

Capsómeros

Unidades proteicas que se auto-associam para formar a cápside.

VIRIÃO

OU PARTÍCULA VIRAL =

vírus completo, fora da célula hospedeira

(5)

(some cause respiratory infections; others cause tumors)

e.g., Adenoviruses

Virús icosaédrico, sem envelope

(non enveloped icosahedral viruses)

Vírus com estrutura complexa

(complex viruses)

e.g. bacteriophages

e.g. Ebola virus (~970 nm lenght)

Vírus helicoidal, sem envelope

(non enveloped helical viruses)

e.g. Mosaic virus of tobacco plant

(6)

(e.g. Influenza virus – causes flu (gripe) in animals, herpes virus; Some other infect plants)

Vírus com envelope

(enveloped virus)

envelope

spikes

- Nucleocápside (icosaédrico ou helicoidal) envolvido por um envelope

(constituido por lípidos, proteínas e hidratos de carbono)

- lípidos e hidratos de carbono têm origem em estruturas membranares (membrana plasmática, nuclear ou do retículo endoplasmático da célula infectada);

- parte das proteínas do envelope são específicas do vírus (espigões – spikes); em muitos casos, são glicoproteínas, que conferem aos vírus forma de aderir à superfície das células a infectar e estão envolvidos no processo de libertação dos viriões novos.

(envelope is made of membrane components from the infected host cell plus some virus-specific proteins - spikes)

(7)

(Prescott, Harley, Kline, Microbiology, 6th edition, 2005, McGraw-Hill)

Animal viruses

infection and multiplication main steps

(diverse strategies / depends on the particular virus)

Stage

Attachment

Attachment sites are plasma membrane proteins or glycoproteins

Penetration

Nucleocapside enters by endocytosis or fusion

Uncoating

Enzymatic removal of capsid proteins

Biosynthesis

In nucleus (nucleic acid) and

rough endoplasmic reticullum and/or cytoplasm (proteins)

Release

Enveloped virus bud out from the infected cell; Nonenveloped virus rupture plasma membrane

(8)

Entrance of virion (by endocytosis or fusion with plasma membrane)

and transportation inside the infected eukaryotic cell (host cell)

Host cell nuclear envelope Entrance via endocytosis Entrance via fusion with host cell membrane

Herpes virus electron micrograph

VÍRUS QUE INFECTAM ANIMAIS

(virus that infect animals)

Host cell plasma membrane

(9)

Flu Attack! How Virus Influenza Invades Your Body

http://www.youtube.com/watch?v=Rpj0emEGShQ&feature=player_detailpage

http://www.youtube.com/watch?v=YSgkoldBNkI&feature=related

Hemaglutinina (HA) e Neuraminidase (NA) – espigões (spikes); proteínas específicas presentes no envelope do vírus da gripe (virus Influenza).

Hemaglutinina participa na internalização do vírus na célula hospedeira (epitélio de garganta, pulmão); adere a receptores específicos com ácido siálico. Causa aglutinação dos glóbulos vermelhos do sangue. Neuraminidase participa na libertação dos novos vírus (formados na célula infectada).

PB1 proteins

(activities: RNA-dependent RNA Polymerase and endonuclease)

Genoma

do vírus

Influenza:

(10)

(Fig. 18.9 Prescott, Harley, Kline, Microbiology, 7th edition, 2008, McGraw-Hill) A B C

Diagrama simplificado do

ciclo de vida do vírus da gripe

Influenza (genoma: ssRNA(-))

. Entrada do vírus na célula por endocitose

(pelo menos uma cópia da enzima PB1 entra já com o vírus)

PB1 – actividades de endonuclease e de

RNA-dependent RNA polymerase

.Abertura do endossoma e transferência das moléculas

de RNA viral para o núcleo da célula infectada;

1 . Transcrição do RNA viral (moléculas de mRNA da célula

hospedeira são quebradas pela actividade endonuclease das proteínas PB1 e os fragmentos resultantes usados como monómeros na síntese do mRNA viral pela actividade

RNA polimerase de PB1)

2. Tradução de mRNA viral (nos ribossomas do citoplasma

da célula hospedeira):

. Síntese de mais cópias da enzima PBI e das proteínas da cápside (proteínas NP)

3. e 4. Formação de cópias novas do RNA viral

5. Tradução de mRNA viral (nos ribossomas do RE rugoso

da célula hospedeira):

. Síntese de HA – hemaglutinina e NA – Neuraminidase (destino: membrana citoplasmática da célula hospedeira;)

6. Construção de partículas virais novas

Associação de cópias novas da cápside (NP), de PB1 e do RNA viral (no núcleo) e

“Budding” - Saída dos viriões maduros da célula hospedeira

(11)

Libertação de vírus com invólucro (Exemplo: vírus Influenza)

(por gemulação da membrana citoplasmática da célula hospedeira)

1º) Hemaglutinina e neuraminidase (proteínas virais) são sintetizadas no RE rugoso e inseridas na membrana plasmática da célula hospedeira infectada via sistema secretório; 2º) nucleocápside (RNA viral + proteinas PB1, dentro da cápside) aproxima-se da membrana plasmática e proteinas da célula hospedeira (a azul na figura) são afastadas; neuraminidase cataliza quebra de acúcares com grupos siálicos (receptores dos viriões maduros) facilitando a libertação dos viriões;

3º) ocorre gemulação da membrana plasmática e célula liberta os viriões maduros.

(12)

Several types of infection

by animal viruses and

their effects on host cells

(sarampo; hepatite B; hepatite C; rubéola,

HIV-human immunodeficiency virus) (Hepatite A;

Herpes - fase activa, Varicela– fase activa)

(Herpes; varicela;

citomegalovirus)

Carcinogénese Host cell lysis

(13)

- ovo de galinha fertilizado

- Linhas celulares; monocamada de células animais (tecidos específicos)

Cultivo de virus de animais

(isolation and cultivation of animal viruses)

O cultivo de vírus requer um hospedeiro vivo.

- animal (cobaia de laboratório)

An animal tissue is treated with enzymes to separate the cells

1) Cells are suspended in culture medium in specially prepared petri dishes and allowed to grow as a monolayer 2) Viruses are added to the animal cell

layer and allowed to attach

3) Cells are covered with a thin layer of agar to limit virion spread

Depending on the type of virus, localized areas of host cells destruction (virus

plaques, in case of virus that cause cell lysis) or other cytopathic modification in cells (e.g., transformation or structural /

morphological degeneration) can be observed.

Uninfected

confluent monolayer of cells

Cytopathic modification (e.g., transformation) of the infected cells

(14)

Virus that infect

animals

(Prescott, Harley, Kline, Microbiology, 6th edition, 2005, McGraw-Hill) Herpes simplex virus

Type 1 (humans; fever blister;

encephalitis; respiratory infections);

Type 2 (humans; genital infections) Varicella zoster

(Humans; chicken pox -varicela)

Epstein-bar virus (Humans; mononucleosis) (varíola) respiratory infections (humans; birds) (cancro) (poliomielitis; hepatitis A) (Ebola; Marbourg) (raiva) (Hepatite B) (rubéola) (gripe) Gastroenteritei; (humans, dogs)

(Sarcomas, leukemias (birds, mice); human immunodeficiency virus)- HIV

(15)

(Maier, Pepper e Gerba,

Environmental Microbiology, Academic Presss, 2000

Principais vias de transmissão

de infeções virais aos seres

humanos

(main routes of virus transmission to humans)

Preocupações em

Saúde Pública:

- Vírus emergentes (Ebola,

Dengue, etc,)

- Facilidade de viajar e

alteração do meio Ambiente

(“novos” virus / “novas”

regiões)

VÍRUS QUE INFECTAM

ANIMAIS

(viruses that infect animals)

Zika

“Zika virus - definition, symptoms & complications”

https://www.youtube.com/watch?v=o GNxGlltnOs

(16)

Bacteriophage and animal viruses

infection and multiplication compared

Stage

Bacteriophages

Animal viruses

Attachment

Tail fibers attach to bacteria Attachment sites are plasma membrane

receptors proteins and glycoproteins

Penetration

Viral nucleic acid injected Nucleocapside enters by endocytosis or

into host cell fusion

Uncoating

Not required Enzymatic removal of capsid proteins

Biosynthesis

In cytoplasm In nucleus and rough endoplasmic

reticullum and/or cytoplasm

Chronic infection

Lysogeny Latent infection; slow viral infection; cancer

Release

Host cell lysed Enveloped virus bud out; nonenveloped

(17)

VÍRUS QUE INFECTAM BACTÉRIAS

(fagos, bacteriofagos)

Viruses that infect bacteria

(phages, bacteriophages)

Muito abundantes em todos os locais habitados por bactérias – p.ex. solo,

intestino de animais, águas doces (rios, lagos) e salgadas (mares, oceanos),

esgotos, etc

- nr total na Terra (estimado): 10

30

_-10

32

(abundant in all places where bacteria live – soil, animals gut/intestine, freshwater, marine waters, sewage, etc.)

(18)

Importância dos fagos (importance of phages) :

- Contributo no controlo das populações de bactérias e na libertação de matéria orgânica que fica disponível para outros organismos nos ambientes naturais

(in Nature - control of bacteria populations, organic matter release)

- Contributo para transferência de material genético entre bactérias na natureza

(transdução generalizada e transdução especializada – ver Tema 15_”transferência de material genético”) (transduction)

- Engenharia genética de bactérias (biotecnologia) (genetic engineering of bacteria)

- Como agentes antibacterianos (in biocontrol and phage therapy): - Controlo da proliferação de bactérias indesejáveis em

alimentos (aprovado pela Food and Drug Administration, USA)

- Medicina; tratamento de infeções bacterianas (humanos)

(19)

Biotech News International, Vol. 10. Nº1, 1-2 / 2005

(www.BiotechDaily.com)

Max Sherman, “Bacteriophages: beyound

antibiotics”, US Pharmacist 2008;33(10):46-51, http://www.uspharmacist.com/content/d/featured%20 articles/c/11005/

So far, phage therapy in humans is only authorized in Russia, Georgia and Polónia Research going no in the USA and other ocidental countries

(20)

(Pelczar, Chan and Krieg, Microbiology, Concepts and Aplications, 1993)

Saber mais:

Melo, L. D. R., S. Sillankorva and J. Azeredo (2012) “Fagos no controlo de infecções” (disponível em

http://www.magazinespm.pt/; Ano 1/número 1 - publicado a 1/8/2012)

(21)

Virus-host specificity

- Interaction between proteins in the bacteriophage virion and receptor molecules in the surface of the susceptible bacterial cell;

- Depends on the particular phage and bacteria species; Examples of types of bacterial receptors:

- LPS (lipopolysacharide), porins, cell wall proteins (in Gram negative bacteria)

- peptidoglycan elements, teichoic acids, lipoteichoic acis, cell wall proteins

(in Gram positive bacteria)

Loss or modification of the receptors

Resistance of bacteria to phage

infection

Main families of phages

(Pseudomonas sp) (Pseudomonas sp) (E. coli) (E. coli) (Mycoplasma sp) (lambda, T5) (T2, T4)

(22)

FAGOS

VIRULENTOS

(virulent phages)

Attachment of virion to the cell wall of Escherichia coli and injection of DNA.

(a) Landing and attachment, by the long tail fibers interacting with core polysaccharide (in LPS) (b) Contact of cell wall by the tail fibers (electrostatic interactions; influenced by Mg2+ _{e Ca}2+_ions)

(c) Contraction of the tail sheath and injection of the virus genome

Fagos com dsDNA

(double stranded DNA)

Exemplos: Fagos T4 ou T7 de E. coli; Colifagos (coliphages)

(23)

Genes in the genome of bacteriophage T7 (infects E. coli).

Transcription of phage early genes uses host RNA Polymerase (immediately after virus injects its DNA into the bacterial host cell). Transcription of all the other (midle and late) phague genes uses phage RNA Polymerase (one of the early proteins).

(Early genes)

(Midle and

(24)

FAGOS VIRULENTOS - CICLO LÍTICO

(exemplo colifago T4)

- Transcrição dos genes tardios (host RNA polimerase modificada para reconhecer promotores de genes do fago), seguido de tradução (proteínas da cabeça, da cauda e outras para montagem da partícula viral)

- fase inicial; usa host RNA polimerase (da célula infectada) - síntese de enzimas que

permitem ao fago bloquear a célula hospedeira/infectada, e degradar o cromossoma desta

(por phage endonuclease).

Replicação do DNA do virus (por phage DNA polimerase; usa nucleotídeos da célula).

Lise enzimática:

1 - Holinas (lesões na membrana plasmática)

2- Lisinas (lisozyme type) (atacam peptidoglicano) - DNA do T4 contém hidroximetilcitosina (HMC) em vez de citosina; - HMC é glucosilada (maturação do DNA) Glucosilação protege o DNA do fago da acção de endonucleases de restrição nas células infectadas

. Duração (entre adsorção do virus e libertação dos viriões maduros):

22 min

(25)

Effects in bacterial cultures

- Liquid cultures →→→→

- Solid medium cultures →→→→

in cultures of specific susceptible bacteria

Quantification:

(Madigan, Martinko e Parker, Brock Biology of microorganisms, 10th ed)

→“PFU – Plaque Forming Units”

- Liquid cultures →→→→ clarification

- Solid medium cultures →→→→clear zone of

lysis (plaque)

(26)

FAGOS TEMPERADOS - CICLO LISOGÉNICO

(temperate phages –

lysogenic cycle)

Induction of lytic pathway

(excision of phage DNA

→

virus replication)

Provoked by agents that damage DNA (e.g. ultraviolet radiation, X-rays, chemical mutagens)

→ SOS response (DNA damage repair) in the host cell

→ protein RecA converted into a protease that destroys lambda repressor

To establish lysogeny, two phage genes are expressed which encode:

- lambda repressor protein;

- enzyme integrase

(27)