Batteri e Virus M E T A Z

Batteri e Virus

M E T A Z O I L’analisi comparativa di sequenze di DNA indica una notevole divergenza tra eubatteri e archei, paragonabile alla divergenza esistente tra procarioti ed eucarioti. La pluricellularità ha portato ad un alto grado di differenziamento cellulare Progenitore comune Organismi unicellulari con alto grado di complessità anatomica, di comportamento e di adattamento ambientale

Cellule procariotiche Cellula eucariotiche Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule. Ogni cellula deriva dalla divisione di una cellula preesistente e tutte le cellule si moltiplicano per divisione binaria o mitosi

Elementi comuni: -l’informazione genetica è racchiusa nel DNA e trascritta sotto forma di molecole di RNA, che nelle sue tre forme (m. RNA, t. RNA e r. RNA) serve per la sintesi di proteine - Utilizzo di processi metabolici comuni per acquisire energia dal mondo esterno e trasformarla in energia chimica biologicamente utilizzabile, sotto forma di ATP o altre molecole simili contenti legami fosfato altamente energetici.

I batteri Organismi unicellulari di piccole dimensioni (1 -10 mm), possono associarsi in filamenti o formare piccoli ammassi di cellule Il genoma varia da 0, 5 a 5 milioni di coppie di basi ed è in grado di codificare tra 1000 a 4000 proteine differenti I batteri sono piccoli e si riproducono rapidamente dividendosi in due. La popolazione batterica evolve in fretta e aquisisce rapidamente la capaità di utilizzare una nuova fonte di sostentamento o di resistenza agli effetti letali di un nuovo antibiotico

I batteri Le principali strutture dei batteri sono: -Parete cellulare -Membrana plasmatica -Ribosomi -Inclusioni citoplasmatiche (materiale di riserva fatto di composti a base di carbonio, azoto, zolfo o fosforo)

La parete cellulare è una struttura che circonda la cellula all’esterno della membrana plasmatica Composta principalmente peptidoglicano -Mantenimento della forma -Conferimento della forza meccanica -Controllo dell’espansione Gram+ Gram-

Colorazione di Gram La colorazione di Gram è il più importante metodo di colorazione batterica differenziale, definita così perché non colora in maniera uguale tutti i tipi di cellule. Il preparato contenente i batteri viene trattato con: -cristalvioletto - mordenzatore (soluzione di iodio e ioduro di potassio in acqua) una sostanza che permetta al colorante di legarsi in maniera stabile al substrato - decolorante (alcol etilico o acetone) - colorante che può essere la fuxina o la sufranina -di decoloranti.

Gram-positivi: i batteri appaiono colorati in violetto perché il decolorante non è riuscito a rimuovere il complesso cristalvioletto-iodio da queste cellule Gram-negativi: i batteri sono decolorati e pertanto assumono la colorazione del secondo colorante utilizzato, quindi appaiono rossi L’idrofobicità della parete cellulare è alla base della caratteristica Gram-positività: mentre il cristalvioletto e lo iodio veicolato dalla soluzione di Lugol riescono a penetrare nella cellula attraversando la parete cellulare grazie alla loro idrofilia, il complesso colorante-iodio che si forma all’interno della cellula assume caratteristiche idrofobiche non gli consentono di riattraversare la parete cellulare per essere estratto dalla cellula anche in presenza di decoloranti.

I batteri Parete cellulare: differenza tra Gram positivi e Gram negativi Strato rigido formato da peptidoglicano sottile lamina costituita da due derivati polisaccaridici e da un gruppo di amminoacidi assemblati a formare unità di ripetizione, il glican-tetrapeptide Il peptidoglicano rappresente fino al 90% del materiale di parete Il peptido glicano rappresente solo il 10% della parete, Lo strato esterno (lipopolisaccaride) è costituito da lipopolisaccaride contenete fosfolipidi, polisaccaridi e proteine Complesso lipoproteico svolge funzioni di ancoraggio tra membrane esterna e peptidoglicano Proprietà biologica: tossicità per gli animali

I batteri La membrana plasmatica o membrana cellulare La membrana plasmatica è una barriera selettiva costituita da lipidi nei quali sono inglobate alcune proteine

Forma dei batteri Strutture tridimensionali o agglomerati Cocchi, diplococchi, sarcine, streptococchi, stafilococchi Forma sferica Formazione lunghe catene

Forma dei batteri Bacilli, vibrioni, spirilli Forma bastoncellare

Alcuni procarioti dispongono di complessi sistemi di membrane interne a) Membrane fotosintetiche b) mesosomi che contengono enzimi coinvolti nei processi respiratori

Le cellule procariotiche non possiedono un nucleo L’informazione genetica (aploide) è racchiusa in un’unica molecola, cromosoma batterico che si aggrega a formare il Nucleoide

Le cellule procariotiche Nel citoplasma troviamo i ribosomi (organelli per la sintesi proteica) e plasmidi (pezzi di DNA indipendenti) L’assenza di membrana nucleare fa sì che una molecola di m. RNA venga tradotta nella proteina corrispondente mentre procede ancora la sua trasrizione

Strutture accessorie dei batteri • Fimbrie o pili – Permettono ai microorganismi di aderire a superfici inerti o di formare pellicole o strati sulla superficie di sostanze liquide – -sono coinvolti nel processo di coniugazione batterica meccanismo di trasferimento genetico adesione coniugazione

Strutture accessorie dei batteri Flagelli appendici cellulari lunghe e sottili libere ad un’estremità costituiti da una singola proteina la flagellina. il flagello batterico è una struttura rigida ed elicoidale, che si inserisce alla base della cellula e ruota a spese del gradiente di protoni determinando il movimento cellulare flagellina

Le appendici delle cellule procariotiche

VIRUS 1890 Iwanosky e Beijerinck Estratto ottenuto da piante di tabacco affette da malattia “del mosaico” – agente infettivo filtrabile 1935 -1960 Struttura dei virus Microscopia elettronica CARATTERISTICHE PECULIARI - - Entità infettive contenenti acido nucleico (DNA o RNA, mai tutti e due), che ne costituisce il genoma e che si replica all’interno di cellule viventi. Utilizzano l’apparato biosintetico della cellula per dirigere la sintesi di particelle virali (VIRIONI) I virioni NON crescono di dimensioni e NON si dividono. Vengono MONTATI per interazione di macromolecole

STRUTTURA DEI VIRIONI -Acido nucleico (sempre presente) -Capside (sempre presente) -Involucro membranoso (presente in alcuni virus animali) Il virione è metabolicamente inerte e non esplica funzioni respiratorie e biosintetiche. Il processo attraverso cui un genoma virale si introduce e si replica in una cellula viene chiamato infezione La cellula in cui un virus può penetrare e riprodursi viene detta ospite Il virus riprogramma quelle componenti metaboliche e biosintatiche preesistenti nell’ospite, che sono necessarie per la sua replicazione

Acidi nucleici - DNA o RNA - A doppio o singolo filamento - Lineare o circolare che può propagarsi da un ospite ad un altro - Intero o segmentato -Virus influenza: 8 segmenti di RNA a singolo filamento -Retrovirus: 2 molecole di RNA a singolo filamento (diploide) -Dimensione variabile - 2. 000 -200. 000 basi (5 -50% peso del nucleocapside) -Geni sovrapposti -cornici di lettura sovrapposte -geni più piccoli contenuti in geni più grandi

Acidi nucleici RNA a doppio filamento

STRUTTURA DEI VIRIONI -Acido nucleico -Capside molecole proteine organizzate in maniera precisa e molto ripetitiva intorno all’acido nucleico Assumono conformazioni altamente simmetriche a) Icosaedrico (solido regolare a 20 facce triangolari) b) Tubulare (struttura elicoidale) c) Virioni a struttura complessa (i. senza un vero e proprio capside; ii. con capside non icosaedrico o tubulare, iii. con capside asimmetrico per la presenza di strutture accessorie come code, fibre etc. ) -Involucro membranoso

Capside a) Virus del mosaico del tabacco b) adenovirus Struttura a forma sferica La geometria icosaedrica rappresenta la disposizione più efficiente per le subunità di un capside, perchè utilizza il minor numero di capsomeri per costruire il rivestimento

Struttura del virus del mosaico del tabacco Virus ad RNA con simmetria elicoidale in cui le subunità proteiche identiche sono disposte ad elica. La lunghezza dei virus elicoidali è determinata dalla lunghezza del genoma, mentre la larghezza dalla grandezza e dal grado di impacchettamento delle subunità proteiche

Virus a struttura complessa Virioni composti da diverse parti distinte ciascuna con la sua configurazione e simmetria Testa icosaedriche T 4 Batteriofago lambda Coda elicoidale Con fibre caudali

Infezione dell’ospite Adsorbimento del fago T 4 alla parete cellulare di E. Coli -Attacco delle lunghe fibre caudali alla parete cellulare -Contatto fra la parete cellulare e la punta della coda -L’azione di un enzima lisozimico permette la formazione di un foro -Contrazione della guaina e iniezione del DNA

STRUTTURA DEI VIRIONI -Acido nucleico -Capside -Involucro membranoso doppio strato lipidico contenente glicoproteine Caratteristico di alcuni virus animali. Proviene dalla membrana plasmatica o da altre membrane della cellula ospite (RE, Nucleo, Golgi) modificate con proteine virali (dette spine). Esempio: virus dell’influenza. -HA=spina di emoagglutinina per l’attacco del virione alla superficie della cellula ospite -NA= spine di neuroaminidasi per la liberazione dei nuovi virioni dalla cellula ospite

Caratteri generali Virioni: Sferici, oppure filamentosi (pleomorfici) Involucro: Lipidico, contiene 2 glicoproteine HAe NA con uno strato costituito di 2 proteine matrice M 1 e. M 2 Genoma: RNA a polarità negativa a unico filamento segmentato(8 segmenti in A e B, 7 in C) Core: Nucleoproteina associata ad ogni filamento di RNA formando i ribonucleoproteine (RNPs) Simmetria: Elicoidale Replicazione: Nucleare Virus dell’influenza

Enzimi dei virus: -DNA polierasi RNA dipendente, retrotrascrive l’informazione genetica dell’RNA genomico in un intermedio ad RNA -neuroaminidasi, rompe I legami glicosidici delle glicoproteine e dei glicolipidi del tessuto connettivo aiutando la liberazione della progenie virale. -lisozima, enzima che produce un foro nella parete batterica

Classificazione dei virus -Generalmente un virus può infettare un numero ristretto di tipi cellulari; ciò fornisce una base per classificarli in: Virus batterici (batteriofagi), Virus animali e Virus vegetali -Alcuni virus però possono infettare sia piante sia insetti che si cibano di esse (Esempio: un virus della patata infetta anche locuste che si nutrono delle foglie della pianta di patata) -Alcuni virus animali possiedono una specificità ampia (esempio: virus della stomatite vescicolare che infetta insetti e molti tipi di cellule di mammifero) -La maggior parte dei virus, però, sono specifici per phyla -Alcuni virus sono estremamente specifici e infettano solo poche specie o addirittura solo alcuni tipi cellulari

Classificazione dei virus animali

Esempi di virus animali Osservazioni: I virus variano molto sia per dimensioni che per forma e non tutti i virus hanno l’involucro esterno

Caratteristiche generali della replicazione dei virus I vari aspetti del processo di replicazione di un virus possono essere suddivisi in sette fasi: -Attacco (adsorbimento) del virione ad una cellula ospite sensibile -Penetrazione (iniezione) del virione o del suo genoma all’interno della cellula -Fasi replicative precoci del genoma virale, in cui il macchinario biosintetico della cellula ospite è modificato, come preludio alla sintesi di acidi nucleici virali e vengono sintetizzati enzimi virus-specifici -Replicazione del genoma virale -Sintesi delle subunità proteiche -Assemblaggio delle subunità proteiche del capside virale -Assemblaggio delle subunità proteiche e impacchettamento del genoma nelle nuove particelle virali -Rilascio di virioni maturi dalla cellula (lisi)

Ciclo litico di un batteriofago

Ciclo litico e ciclo lisogeno I virus temperati possono entrare in uno stato, detto di lisogenia, nel quale non viene espressa la maggior parte dei geni fagici, e il genoma virale si replica in sintonia con il cromosoma dell’ospite

Lisi o lisogenia? Il genoma di lambda contiene due gruppi di geni, uno per il controllo della crescita litica e l’altro per il controllo della lisogenia La competizione fra questi prodotti genici precoci e l’influenza di fattori dell’ospite determina quale di queste vie avrà sucesso Dipende dallo stato nutrizionale della cellula ospite. I geni fagici sono mantenuti stabilmente nello stato lisogenio finchè non avviene un cambiamento per il quale passano, con grande efficienza, in un secondo stato in cui si verifia la crescita litica

Ciclo di un virus animale 1. Adsorbimento del virus alla cellula Recettori specificità 2. Ingresso nella cellula - Inglobamento del virione (fagocitosi o endocitosi) - Fusione dell’involucro virale con la membrana cellulare 3. Liberazione dell’acido nucleico -citoplasma -nucleo 4. Trascrizione del genoma virale 5. Traduzione -Poliproteine Proteine virali 6. Replicazione dell’acido nucleico 7. Assemblaggio nuovi virioni 8. Liberazione delle particelle virali - Lisi cellulare (virus senza involucro) - Gemmazione (virus con involucro) - Esocitosi (virus con involucro)

Ciclo di un virus animale a DNA

Gemmazione dei virus animali Proteine virali dell’involucro attraversano la membrana e si legano a proteine del capside Nel caso di virus con involucro il rilascio di virioni, che avviene con un processo di gemmazione, può essere lento e la cellula può non essere lisata, rimanere viva e continuare a produrre virus per un lungo periodo di tempo

Gemmazione dei virus animali Acquisizione dell’involucro tramite gemmazione Gemmazione del virus del morbillo

Ciclo di un retrovirus I retrovirus sono virus a RNA che si replicano a DNA Genoma diploide: due molecole di RNA a singolo filamento tenute insieme da legami idrogeno per mezzo di specifiche molecole di t. RNA Processi di replicazione di un retrovirus: -Ingresso nella cellula -Retrotrascrizione di una delle due subunità genomiche di RNA in un DNA a singolo filamento, che è succccessivamente convertito in un DNA lineare a doppio filamento, per mezzo della trascrittasi inversa -Integrazione della copia a DNA nel genoma dell’ospite -Trascrizione del DNA virale, che porta alla formazione degli m. RNA virali e dell’RNA genomico virale -Incapsidazione dell’RNA nucleocapsidi nel citoplasma virale in -Gemmazione dei virioni rivestiti attraverso membrana citoplasmatica e rilascio dalla cellula

Ciclo di un retrovirus

CANCEROGENESI VIRALE All'inizio degli anni '60 i virologi hanno dimostrato che: – Il fenotipo tumorale poteva essere conferito a cellule normali in coltura in seguito ad infezione con un virus (Dulbecco, 1963) – Questi virus erano capaci di integrarsi nel genoma cellulare tramite la trascrittasi inversa (Temin; Baltimora, 1970)

Virus tumorali (oncogeni) I virus che possiedono la caratteristica di indurre alterazioni dei normali processi omeostaci del ritmo proliferativo cellulare, vengono definiti virus oncogeni, a loro volta distinti in virus oncogeni con genoma a DNA e virus oncogeni a RNA - Alcuni tumori sono associati all’infezione da parte di virus oncogeni - Infatti alcuni virus contengono oncogeni, un gene che potenzialmente trasforma le cellule normali in cellule cancerose • Quando l’oncogene è trasmesso da virus: ONCOGENE VIRALE

Come si definisce un virus tumorale? • Presenza di parte del genoma virale nei tumori ed espressione di alcuni geni virali. • L’infezione di cellule in vitro porta alla trasformazione Saggi di tumorigenicita’: • Crescita in basso siero (ridotta richiesta di fattori di crescita) • Crescita in soft agar (crescita indipendente da ancoraggio) • Identificazione dei geni virali che trasformano le cellule in coltura • l’infezione in un modello animale induce tumore – non possibile nell’ uomo – la vaccinazione previene l’insorgenza del tumore

VIRUS ONCOGENI • virus oncogeni a RNA (retrovirus) – retrovirus: carcinogenesi rapida carcinogenesi lenta • virus oncogeni a DNA (onco. DNAvirus) – hepadnavirus – papovavirus – adenovirus – herpesvirus – poxvirus

Virus tumorali a DNA Cellule permissive: replicano il virus e subiscono l’effetto citopatogeno, in conseguenza del quale esse muoiono nel momento in cui rilasciano i virioni > esse non diventano cellule tumorali Cellule non permissive: non replicano il virus infettante e subiscono la trasformazione neoplastica in quanto si verificano alcuni eventi molecolari atti a determinare il fenotipo tumorale (mutagenesi inserzionale) In una piccola percentuale di queste cellule il cromosoma virale si integra nel genoma dove viene replicato insieme al genoma della cellula ospite o forma un plasmide che si replica in maniera controllata. Cambiamenti genetici nella cellula ospite Trasformazione neoplastica

VIRUS ONCOGENI A DNA La trasformazione si verifica in assenza di moltiplicazione virale in cellule nonpermissive e si realizza sempre attraverso l'integrazione del virus nel genoma della cellula ospite • L'integrazione avviene a caso e la probabilità che dia trasformazione è molto bassa VIRUS ONCOGENI A DNA • Il virus dell’epatite B (HBV) ed epative C (HCV) agenti eziologico della epatite B che culmina frequentemente con la comparsa del carcinoma epatico (questo tumore consegue anche all’infezione indotta da un altro virus epatotropo con genoma ad RNA, il virus dell’epatite C) • Il virus di Epstein-Barr (EBV) associato alla comparsa del Linfoma di Burkitt, oltre che agente eziologico della mononucleosi infettiva • I papilloma virus umani (HPV) di cui diversi ceppi sono associati a carcinomi della regione genitale

Virus tumorali a DNA Esempi: Papovavirus: SV 40 e Polioma Questi virus producono proteine che stimolano le cellule a proliferare (da G 0 a S). Nella fase S sono abbondanti tutti quei reagenti (enzimi di replicazione, nucleotidi, amminoacidi, etc. ) necessari al virus per replicarsi.

Virus tumorali a RNA Come portano ad una alterazione genetica permanente? Trascrittasi inversa e integrasi Retrovirus!

VIRUS ONCOGENI AD RNA • I retrovirus sono così chiamati perché nel genoma è presente un gene (pol) che codifica per l’enzima virale trascrittasi inversa (reverse transcriptase, RT) che, una volta avvenuta la penetrazione del virus all’interno della cellula, trasforma l’RNA del genoma virale in DNA, che viene incorporato nel genoma cellulare • Trasformanti acuti > rapida comparsa dei tumori, trasformazione neoplastica di cellule normali in coltura e sono portatori di oncogeni • Trasformanti lenti > sono privi di oncogeni, lungo periodo di incubazione e non sono capaci di indurre trasformazione neoplastica di cellule normali in coltura • I retrovirus oncogeni responsabili di carcinogenesi rapida provocano delle vere e proprie forme acute di tumore (soprattutto sarcomi) che si manifestano nel giro di pochi giorni • Il virus del sarcoma di pollo scoperto da Rous nel 1911 è il più rapido dei virus oncogeni: i fibroblasti in coltura acquistano il fenotipo trasformato dopo 24 ore dall'infezione • i tumori da essi provocati sono di origine policlonale

VIRUS ONCOGENI AD RNA • I retrovirus oncogeni responsabili di carcinogenesi lenta provocano tumore solo dopo settimane o mesi (anni nel caso di retrovirus umani) dall'infezione • I tumori da essi provocati sono di origine monoclonale • HTLV-1 e HTLV-2 = human T cell leukemia virus sono associati alla comparsa nell’uomo di una particolare forma di leucemia a cellule T e di linfomi • I retrovirus HIV-1 e HIV-2 (agenti eziologici della sindrome da immunodeficienza acquisita) non sono considerati virus oncogeni; essi però causando uno stato di grave immunodeficienza, favoriscono la comparsa di tumori (kaposi’s sarcoma) che sono definiti tumori opportunistici