Štruktúra a organizácia genómu vírusov

Vírusy sú z hľadiska štruktúry a organizácie genómu najvariabilnejšou skupinou organizmov spomedzi všetkých živých organizmov. Z hľadiska typu nukleovej kyseliny ako nositeľa genetickej informácie rozoznávame dve základné skupiny vírusov:

  • DNA vírusy
  • RNA vírusy

Nukleová kyselina môže byť pritom podľa počtu vláken:

  • jednovláknová (ssDNA alebo ssRNA; angl. single-stranded)
  • dvojvláknová (dsDNA alebo dsRNA; angl. double-stranded)

Z hľadiska formy molekuly NK poznáme:

  • lineárna molekula
  • cirkulárna molekula

Organizácia genómu môže byť dvojaká:

  • celistvý genóm - tvorený jednou molekulou NK
  • segmentovaný genóm - zložený z viacerých molekúl nukleových kyselín

Pri jednovláknových formách genómu (ssDNA alebo ssRNA) ešte rozlišujeme polaritu vlákna nukleovej kyseliny, ktoré suvisí s komplementaritou k vírusovej mRNA:

  • (+)ssDNA, (+)ssRNA - NK s pozitívnou polaritou vo funkcii nositeľa genetickej informácie je identická s vírusovou mRNA, takže môže byť okamžite využitá na transláciu v hostiteľskej bunke
  • (-)ssDNA, (-)ssRNA - NK s negatívnou polaritou musí byť najprv prepísaná bunkovou RNA-polymerázou na pozitívne vlákno pred samotnou transláciou

V mnohých prípadoch zohráva v reprodukčnom cykle vírusov úlohu enzým reverzná transkriptáza. Je to typ DNA-polymerázy, ktorý pre syntézu komplementárneho vlákna (DNA) využíva ako templát molekulu RNA. Je to teda spätný (reverzný) proces v porovnaní s bunkovou RNA-polymerázou ("priama" transkriptáza), ktorá v procese transkripcie prepisuje DNA do molekuly RNA. Reverzná transkriptáza je kódovaná vírusovým genómom.

Triedenie vírusov podľa genómu

Najlepším pokusom o zatriedenie vírusov podľa toho, akým spôsobom dochádza k ich replikácii a realizácii genetickej informácie, poskytol Baltimorov systém triedenia do 7. tried (2 triedy DNA vírusov, 3 triedy RNA vírusov, 2 triedy vírusov s reverznou transkripciou):

DNA vírusy

  1. trieda: dsDNA vírusy - vírusy s genómom dvojvláknovej DNA
  2. trieda: ssDNA vírusy - vírusy s genómom jednovláknovej DNA

RNA vírusy

  1. trieda: dsRNA vírusy - vírusy s genómom dvojvláknovej RNA
  2. trieda: (+)ssRNA vírusy - vírusy s genómom jednovláknovej RNA pozitívnej polarity
  3. trieda: (-)ssRNA vírusy - vírusy s genómom jednovláknovej RNA negatívnej polarity

Vírusy s reverznou transkriptázou

  1. trieda: (+)ssRNA-RT vírusy - vírusy s genómom jednovláknovej RNA pozitívnej polarity s reverznou transkripciou
  2. trieda: dsDNA-RT vírusy - vírusy s genómom dvojvláknovej DNA s reverznou transkripciou
Tab. Triedenie vírusov podľa genómu
triedaskupinatyp NKss/ds+/-RTgenómčeľaď
I.dsDNA vírusyDNAds+/-niecelistvýpapovavírusy, adenovírusy, herpesvírusy, poxvírusy
II.ssDNA vírusyDNAss+, -niecelistvýparvovírusy
III.dsRNA vírusyRNAds+/-niesegmentovanýreovírusy
IV.(+)ssRNA vírusyRNAss+niecelistvýpikornavírusy, togavírusy, koronavírusy
V.(-)ssRNA vírusyRNAss-niecelistvý, segmentovanýparamyxovírusy, filovírusy, rabdovírusy,
ortomyxovírusy, bunyavírusy
VI.(+)ssRNA-RT vírusyRNAss+ánocelistvýretrovírusy
VII.dsDNA-RT vírusyDNAds+/-ánocelistvýhepadnavírusy

dsDNA vírusy

U týchto vírusov je podobný princíp replikácie a expresie génov ako majú ich hostiteľské bunky. Krátko po infekcii hostiteľskej bunky prebieha transkripcia skorých génov, ktorých produkty sú prevažne funkčné proteíny (hlavne enzým DNA-polymeráza). Hranicou medzi skorou a neskorou fázou je replikácia vírusovej DNA, ktorá prebieha aj počas expresie neskorých génov majúcich hlavne štruktúrnu funkciu (stavebné zložky viriónov). Tak skoré ako aj neskoré gény sú často exprimované ako jedna polycistronická mRNA. Ukončením procesu je skladanie kapsidu, jeho asociácia s vírusovou NK a vylúčenie kompletných viriónov do prostredia.

ssDNA vírusy

Vysvetlenie replikácie ssDNA vírusov je založené na hypotetickom modeli, podľa ktorého voľné konce jednovláknovej DNA vytvárajú spätnú slučku, pričom 3'-koniec môže byť použitý ako primer pre syntézu komplementárneho vlákna DNA. Prechodne tak vzniká dvojvláknová molekula dsDNA, ktorá sa nazýva replikatívna forma a označuje sa ako RF-DNA. V druhej fáze replikácie sa potom prednostne replikuje len jedno vlákno (asymetrická replikácia), ktoré tvorí genóm vírusu ((-)ssDNA alebo (+)ssDNA). Ako matrica pre transkripciu môže slúžiť tak samotné negatívne (-)ssDNA vlákno ((-)ssDNA vírusy) ako aj RF-DNA (ktorá je dvojvláknová - dsDNA).

dsRNA vírusy

Expresia dsRNA vírusov začína asymetrickou transkripciou (+)ssRNA vlákna vírusovou RNA-polymerázou, ktoré má funkciu vírusovej mRNA. Replikácia genómu pozostáva z premeny (+)ssRNA na dsRNA.

(+)ssRNA vírusy

V prvej fáze prebieha na molekule infikujúcej vírusovej RNA translácia (bunkovým proteosyntetickým aparátom), pretože je rovnakej (pozitívnej) polarity ako mRNA. Druhou fázou je replikácia vírusovej RNA vírusovou RNA-polymerázou, pričom je dcérske vlákno (-)ssRNA buď vytláčané z matrice (+)ssRNA alebo sa tvorí dvojvláknová replikatívna forma RF-RNA. (-)ssRNA, resp. RF-RNA potom slúžia ako templát pre syntézu jednak (+)ssRNA vo funkcii transkriptu podliehajúceho translácii, jednak vo funkcii vlákna, ktoré sa neprekladá ale vstupuje do novosyntetizovaných vírusových kapsidov. V neskorej fáze je tak prednostne syntetizované (+)ssRNA vlákno tvoriace genóm nových viriónov (obdoba asymetrickej replikácie ssDNA vírusov).

(-)ssRNA vírusy

Expresia genómu týchto vírusov prebieha najprv pomocou vírusovej RNA-polymerázy, ktorej výsledkom je vznik krátkych (+)ssRNA transkriptov vo funkcii mRNA. V ďalšej fáze dochádza k syntéze kompletného vlákna (+)ssRNA, ktoré slúži ako matrica pre syntézu genómového (-)ssRNA vlákna. Aj tieto reakcie katalyzuje vírusová RNA-polymeráza.

U (-)ssRNA vírusov so segmentovaným genómom tvoria jednotlivé segmenty genómu väčšinou samostatné monocistronické transkripčné jednotky, tzn. produktom transkripcie každej z nich je jeden proteín. Replikácia je obdobná ako u kategórie (-)ssRNA vírusov s celistvým genómom.

Syntetická fáza (produkcia mRNA) sa od replikácie odlišuje v jednej veci. Počas syntetickej fázy fungujú ako primery syntézy (+)ssRNA vlákna bunkové oligoribonukleotidy, ktoré sú odštiepené vírusovou endonukleázou z bunkových mRNA, a ktoré obsahujú 5'-čiapočku potrebnú na úspešnú transláciu vírusovej mRNA ((+)ssRNA). Počas replikácie taktiež vzniká (+)ssRNA, ale už bez týchto bunkových primerov a za účasti vírusového nukleokapsidového proteínu.

(+)ssRNA-RT vírusy

Tieto vírusy sa vyznačujú atypickým prenosom genetickej informácie v poradí:

RNA → DNA → RNA → proteín

Najskôr prebieha reverzná transkripcia genómovej RNA na DNA, z ktorej sa uskutočnuje prepis do RNA slúžiacej ako templát pre transláciu. Replikácia má niekoľko fáz. Výsledkom prvej fázy je prepis RNA do (-)ssDNA a vznik dvojvláknovej molekuly dsDNA. Táto forma vírusu - provírus sa cirkularizuje a včleňuje do bunkového genómu. Provírus je stabilný, nepremiestňuje sa, nevyštepuje sa a replikuje sa len spolu s bunkovým chromozómom. V tretej fáze replikácie dochádza k transkripcii provírusu bunkovou RNA-polymerázou II, pričom sú primárne RNA-transkripty použité buď ako mRNA pre syntézu proteínov alebo neskôr hlavne ako RNA tvoriace genóm nových viriónov.

dsDNA-RT vírusy

Tieto vírusy využívajú pre replikáciu svojej genómovej dsDNA intermediát v podobe RNA, ktorý prepíšu reverznou transkriptázou na DNA. Po vstupe dsDNA do bunky dochádza k tvorbe RNA v dvoch funkciách: mRNA, ktorá sa prekladá do primárnej štruktúry vírusových proteínov, a RNA, ktorá tvorí templát pre syntézu vlákna genómovej DNA (vírusovou reverznou transkriptázou).