Virus e malattie umane

I virus sono importanti cause di malattie e qui c’è il riassunto in questa tabella.

Possono parassitare tutte le forme di vita, abbiamo l’uomo, animali, funghi, piante, protozoi, batteri, sono tutte cellule che possono fungere da ospiti per la replicazione di un virus. Le infezioni virali nelle piante e animali, soprattutto quelli commestibili, hanno un effetto sull’economia umana, per questo si cerca un farmaco o vaccino.

Ma non pensiamo ai virus solo come microrganismi estremamente cattivi in grado di mettere a repentaglio la nostra salute, essi svolgono anche un ruolo importante nell’intero nostro sistema. È stato fatto un calcolo che, i batteriofagi che sono i virus che hanno una morfologia complessa, dotati di coda, raggiungono un numero pari a 10^31, una quantità enorme. Ciascun batteriofago è lungo 200 nm. Se noi prendiamo questo 10^31 batteriofagi e mettiamo in fila, hanno calcolato che copriamo una lunghezza pari a 2 x 10^21 chilometri, è una distanza che poi ci porta alle più lontane galassie. Un’altra considerazione è che circa il 98% della popolazione che vive negli oceani è formata da microbi, ed è all’attività fotosintetica di questi microbi che si deve la formazione di circa il 50% dell’ossigeno che è presente nella nostra atmosfera. È stato calcolato che, i virus presenti negli oceani, distruggono ogni giorno circa il 20% della popolazione microbica. Di conseguenza i virus svolgono un ruolo importante sia nel ciclo del carbonio, sia nel regolare il tasso dell’ossigeno presente nella nostra atmosfera. Quindi hanno un fondamentale ruolo nell’intero nostro sistema.

Lo studio dei virus ha dato molte informazioni per la biologia molecolare, per esempio con lo studio dei virus si sono scoperti gli oncogeni che svolgono un ruolo fondamentale nel regolare la crescita cellulare e partecipare al differenziamento, individuati i promotori riconosciuti dalle Rna polimerasi nelle cellule procariotiche, scoperti gli enzimi che partecipano alla replicazione del Dna, scoperto il processo di Rna splicing fondamentale nella formazione degli Rna messaggeri.

Ogni volta che noi studieremo un virus ci porremmo queste tre domande, che rispondono ai problemi che i virus devono risolvere per potersi replicare.

Il primo problema è come riuscire a riprodursi una volta che si trova all’interno di una cellula. Il secondo problema, uno dice un virus infetta, replica fa una progenie virale, però deve essere anche in grado di trasmettersi da un individuo ad un altro per avere aperta la strada che porta alla sua evoluzione. Terzo problema, quando un organismo è infettato da un virus, l’organismo non è che rimane li vittima dell’infezione virale, ha a disposizione un sistema immuno-competente che reagisce all’infezione del virus con l’obbiettivo di controllarla ed eliminarla. I virus però si sono fatti furbi e hanno messo in atto strategie per contrastare le nostre difese naturali. Questo sarà lo schema sul quale imposteremo lo studio di un virus.

Il primo problema, vi ripeto, è come riprodursi quando entra in una cellula. Vuole produrre una nuova popolazione virale che poi riversa in ambiente extracellulare.
Il virus, allo stato extracellulare, trova dei recettori nella superficie della cellula ospite, per poi poter entrare nella cellula, il virus entra attraverso un processo di endocitosi (la membrana citoplasmatica, per il legame con i recettori, si invagina) e si viene a ritrovare all’interno di una vescicola di fagocitosi nel citoplasma. Comincia il processo di svestizione chiamato uncoating che ha come punto d’arrivo la liberazione dell’acido nucleico. L’acido nucleico virale, a questo punto deve ricorrere all’aiuto, nella cellula vuole compiere un processo di trascrizione per arrivare alla sintesi dei propri messaggeri come pure gli serve un apparato proteino-sintetico per sintetizzare le proteine virus specifiche. Quindi, per i processi di trascrizione e di traduzione, chiede aiuto alla cellula ospite. Una volta che si sono sintetizzati gli enzimi che servono alla loro replicazione ecco che il virus può formare tanti nuovi genomi, che combinandosi con le proteine strutturali vanno ad assemblarsi all’interno della cellula, si formano nuove particelle virali che poi vanno rilasciate in ambiente extracellulare. Vi ho detto (diapositiva 1) che alcuni virus sono nudi e che altri hanno un rivestimento esterno envelope o involucro pericapsidico, questo envelope è acquisito dalla particella virale durante la fuoriuscita dalla cellula ospite. Nella diapositiva 22 si vede che il virus entra per endocitosi, si libera della vescicola endocitica, rimozione del capside ed esposizione dell’acido nucleico. Cosa deve fare? Tante copie, tanti nuovi genomi, tante nuove proteine strutturali. Genomi e proteine strutturali si assemblano, nel processo di maturazione si formano nuove particelle virali che portano alla vestizione della cellula (questo è un virus …. non tutti i virus fanno questo) ed ecco la progenie viene formata e si libera in ambiente extracellulare.

Siamo al primo problema che il virus deve risolvere, come replicare una volta che è penetrato all’interno di una cellula ospite. Perché la replicazione abbia luogo un virus deve essere in grado di presentare al macchinario proteino-sintetico della cellula, uno o più RNA-messaggeri che la cellula possa riconoscere e tradurre nelle relative proteine. Si arriva così alla sintesi delle proteine virali.

Per raggiungere questo obiettivo, un virus deve essere in grado di superare alcuni ostacoli imposti dalla organizzazione della cellula ospite:

1. Nella cellula eucariotica, gli RNA messaggeri vengono sintetizzati nel nucleo, per trascrizione del DNA ad opera della RNA polimerasi-DNA dipendente.
Quale virus può infettare una cellula e tranquillamente inserirsi in questa strada?

I virus che hanno un Dna però devono saper arrivare nel nucleo, sono i cosiddetti Dna infettanti. Io prendo una particella virale, la spoglio di tutti i rivestimenti, prendo l’acido nucleico e artificialmente lo faccio entrare nella cellula, raggiunge il nucleo che è il punto di partenza per la formazione di nuove particelle virali. Abbiamo il virus del vaiolo a Dna, che ha scelto, pur avendo un genoma a Dna, di replicare nel citoplasma e non può andare nel nucleo.

Cosa serve quindi per fare i messaggeri?

Una Rna polimerasi Dna dipendente e parte della particella virale. Quando il virus del vaiolo infetta la cellula, in questa cellula entra non soltanto il genoma virale, ma anche l’Rna polimerasi Dna dipendente indispensabile a quel virus che sintetizzerà nel citoplasma i propri Rna messaggeri.
Un altro problema è che un virus deve chiedere enzimi in prestito alla cellula per duplicarsi, un apparato proteino sintetico, in particolare, nel caso dei Dna virus cosa gli serve? Serve una Dna polimerasi dna dipendente, delle…., delle …. Chinasi, la cellula gli deve dare tutto questo. La cellula gli può dare tutto ciò quando è in attiva replicazione, se una cellula è …. il virus si trova in difficoltà. Tutte le cellule differenziate hanno cessato di esprimere le attività enzimatiche implicate nella duplicazione del Dna, ecco che i virus hanno risolto questo problema con due modalità diverse. Un esempio è quello di Herpes virus instaurano latenza nelle cellule nervose.

Le cellule nervose duplicano il loro Dna? No! Sono cellule altamente differenziate. Quando il virus infetta quella cellula lo fa perché vuole instaurare latenza, vuole rimanere nascosto per sfuggire al sistema immunitario, però ogni tanto quell’Herpes virus si risveglia e ha bisogno di tutto quel corredo enzimatico che provvede alla sintesi di Dna. La cellula nervosa non glielo offre ed ecco che nel genoma dell’Herpes troviamo l’informazione che porterà a tutti quegli enzimi che sono indispensabili al virus a duplicare il proprio genoma. In altre parole, ha l’informazione genetica sufficiente perenne nella propria replicazione, indipendente da quella della cellula. Altri virus, purtroppo per noi, hanno scelto una strada diversa:

2. Replicazione in cellule “resting”
Questo Dna virus è in crisi e da un calcio a quella cellula e la costringe a riprendere il suo ritmo replicativo e questi sono i cosiddetti virus oncogeni in grado di trasformare la cellula. Quest’ultima è quiescente e i virus danno una spinta alterandone i meccanismi di controllo, ed ecco che quella cellula rientra in fase S e ricomincia a sintetizzare quelle attività enzimatiche indispensabili al virus.
Un altro problema serio è che noi stiamo parlando di virus animali, virus che infettano una cellula eucariotica e sappiamo che:

3. Il macchinario proteino-sintetico della cellula eucariotica è predisposto esclusivamente per la traduzione di messaggeri monocistronici.
Cosa vuol dire monocistronico? Un messaggero porta l’informazione per un’unica proteina. Quel messaggero ha un unico punto di contatto con il ribosoma e il risultato è un’unica proteina. Diversamente le cellule procariotiche hanno rna policistronici, più punti del messaggero possono prendere contatto con il ribosoma e la conseguenza è che quel messaggero porta l’informazione per più proteine. Quindi il virus deve risolvere questo problema: se sintetizza un rna messaggero che porta l’informazione di più proteine la cellula eucariotica non lo può aiutare.
Altro problema molto importante, il virus in qualche maniera riesce a sintetizzare i propri messaggeri, questi messaggeri ovviamente, sono in competizione, a livello dei ribosomi, con una miriade di messaggeri cellulari:

4. Nella cellula infetta l’espressione dei geni virali è in competizione con una miriade di geni cellulari che vengono contemporaneamente trascritti e tradotti.
Il virus deve dire ai messaggeri cellulari di andare via, l’apparato proteino sintetico ora serve a lui, perché vuole sintetizzare proteine virali.

Gli rna virus, abbiamo detto che, in assenza di una Rna polimerasi Rna dipendente nella cellula, codificano informazione per sintetizzare questa attività enzimatica indispensabile alla loro replicazione.

Ecco la classificazione di Baltimore dei virus:

Abbiamo virus a Dna a singolo e a doppio filamento, virus a Rna a singolo e doppio filamento ed i retrovirus.

Il nocciolo è questo: entra un virus in una cellula, il genoma può essere a Dna o Rna, che cosa deve fare questo virus per prima cosa?

Vuole tanti nuovi genomi e tante nuove proteine capsidiche, quindi deve sintetizzare gli Rna messaggeri, è il punto di partenza in tutti i casi.
Quindi, che tipo di Dna c'è? Quanto Dna c'è? Ha un elevato tasso mutazionale? Quindi, dove si colloca il virus che stiamo studiando nella classificazione di Baltimore.

Sono sette classi:
• Virus a Dna bicatenario: sono i più fortunati, perché sono capaci di arrivare nel nucleo, hanno a disposizione dalla cellula tutto quello che gli serve per arrivare alla sintesi di un messaggero. Questo Dna bicatenario va nel nucleo, c'è una Dna polimerasi dna dipendente che la cellula gli offre e la utilizza, così molto facilmente arrivano alla sintesi del messaggero.
• Virus a Dna a singola catena: deve prima di tutto duplicarsi. Dapprima i virus provvederanno a duplicare il proprio Dna e poi loro arriveranno alla sintesi dei messaggeri.
• Virus a Rna a polarità positiva (Rna +): l'esempio è il poliovirus. Con il + si indica che questo rna è già un Rna messaggero, riconosciuto dai ribosomi. Il genoma  e il ribosoma hanno lo stesso segno, il polio entra prende contatto con i ribosomi e realizza velocemente la sintesi delle proprie proteine.
• Virus a Rna a polarità negativa (Rna -) e virus a Rna a doppia catena: entra un rna che non può fungere da messaggero cioè non è riconosciuto dai ribosomi, e la cellula non gli può dare nulla in prestito. Dovranno avere presente nella particella virale, una Rna polimerasi Rna dipendente. Grazie alla presenza, nella particella virale, di questa attività enzimatica, questo Rna verrà dapprima trascritto (prima sintesi macromolecolare). L'rna a polarità negativa verrà copiato per arrivare alla sintesi di un Rna messaggero e arrivati a questo punto si potrà sintetizzare le proprie proteine tranquillamente. La stessa strategia viene utilizzata per l'rna a doppia catena, entra nella cellula e nel citoplasma, grazie all'attività enzimatica che si è portato dietro, potrà essere trascritta la catena di segno meno per arrivare ad un Rna messaggero a polarità positiva.
• Retrovirus: è un Rna a polarità positiva, potrebbe fungere direttamente da messaggero ma ha scelto una strada differente. In questo virus è presente una trascrittasi inversa che copia il genoma a Rna a singola elica, trasformando in un intermedio a Dna bicatenario. Una volta che si è formato questo Dna sotto forma di provirus va a integrarsi nel cromosoma della cellula ospite. Rna monocatenario, grazie alla trascrittasi inversa formazione di un Dna bicatenario e sua integrazione nel Dna dell'ospite. Il Dna integrato potrà essere trascritto dalla Rna polimerasi dna dipendente della cellula ospite, per arrivare alla formazione di messaggeri.

I virus però non possono limitarsi a infettare solo un individuo, perché con la morte di quell'individuo morirebbe anche il virus. Deve quindi risolvere il problema di trasmettersi da un individuo a un altro. Che strada ha imparato il virus? Ha imparato strade che riflettono quelli che sono normali comportamenti dell'uomo, si trasmettono con una stretta di mano, con un colpo di tosse, con un rapporto sessuale sono queste legate al comportamento che i virus utilizzano per passare da un individuo a un altro. Ma non deve solo trasmettersi da un individuo all'altro, quando arriva in un nuovo individuo deve essere capace di trovare la strada che lo porta alle cellule nelle quali può replicarsi. Non tutte le cellule del nostro organismo sono sensibili ai virus, i virus invece sono altamente specifici nel tipo di cellule all'interno della quale riescono a replicare. Alcuni virus riescono a replicare solo in un tipo di cellule, altri hanno uno spettro più ampio ma è sempre limitato il numero delle cellule all'interno delle quali il virus può realizzare il proprio ciclo replicativo.

Il terzo problema è abbastanza serio per i virus, una volta che cominciano l'infezione, il nostro sistema immuno-competente cerca di eliminare questa infezione, il nostro sistema immunitario escogita qualcosa di nuovo per difendersi ed ecco che il virus immediatamente trova il modo di sovrastare questa nuova difesa dell'ospite. Si crea una sorta di bilanciamento, il virus non vuole portare a morte l'ospite e se cosi fosse velocemente l'ospite andrebbe a estinguersi e cosi si abbasserebbe, per il virus, la probabilità di sopravvivere, muore l'ospite e muore anche il virus. Si crea una sorta di battaglia a tutt'oggi aperta, il sistema immunitario fa un passo avanti e il virus cerca di scavalcare. Ricordiamo ancora una volta dell'elevato tasso mutazionale che caratterizza i virus che porta all'insorgenza di nuove varianti, quella che meglio si adatta al particolare ambiente. Per esempio il virus dell'influenza cambia il suo vestito superficiale perché così gli anticorpi sintetizzati l'anno scorso non hanno più alcun effetto così il sistema immunitario deve sintetizzarne di altri.

Le malattie che i virus causano sono la conseguenza del modo con cui un virus ha scelto di risolvere i tre problemi della riproduzione, della trasmissione e dell'evasione dall'ospite.

Questo significa che, una volta che capiamo come un particolare virus risolve questi tre problemi saremmo anche capaci di predire le conseguenze patologiche di quella infezione virale.

In molte occasioni è la conseguenza dell'infezione virale, un virus infetta alcune cellule del nostro organismo e le distrugge portandole a morte. In altri casi invece, la malattia virale è la conseguenza di una reazione dell'ospite che è troppo marcata, il sistema immunitario interviene per cercare di arginare l'infezione virale ma una risposta marcata diventa la causa di malattie.

Ho suddiviso i virus che vedremmo secondo le modalità di trasmissione in quattro gruppi:
• Per via respiratoria: influenza, rhinovirus (del raffreddore), measles (del morbillo).
Vedremmo i cicli replicativi e come questi qua si difendono dall’ospite.
• Per via alimentare: rotavirus, adenovirus, epatite A.
• Per via materno-fetale: epatite B, epatite C, HTLV1 (virus della leucemia cellule T dell’adulto).
• Per via sessuale: HIV, herpes simplex, papilloma.

Abbiamo concluso la lezione della scorsa settimana esaminando tre problemi che il virus, all'interno della cellula, deve necessariamente risolvere.

1. Il primo problema deve essere in grado di riprodursi in particolare come punto centrale dalla modalità con cui il virus si introduca come rna messaggero.

2. Il secondo problema è che una volta ospitato all'interno di una cellula di un dato organismo, deve essere in grado di trasmettersi da un individuo ad un altro per assicurarsi di proseguire il proprio processo.

3. Terzo problema una volta che un organismo è infettato da un virus non rimane inattivo a subire l'infezione virale ma ha un sistema di difesa chiamato sistema immuno-competente ed ecco che i virus hanno elaborato delle sofisticate misure per contrastare le nostre difese. Proprio perché è cosi importante conoscere come un virus si difende dall'ospite, la lezione di oggi sarà dedicata a una carrellata sulla risposta immunitaria. Sono conoscenze che già avete dal corso di microbiologia generale ma è importante avere chiari, impressi nella mente, quali sono i momenti salienti e determinanti in quella che è la risposta immunitaria nei riguardi dell'infezione virale. Nello svolgimento del corso esamineremo tantissimi virus, le modalità messe a punto da questa classe cosi peculiare per contrastare le difese immunitarie.

Le difese dell'ospite sono organizzate in tre strati: una barriera chimica superficiale che ha il compito, essendo in superficie, sarà quella esposta ad un numero maggiore di virus, è una barriera di tipo chimica che può essere con una certa facilità superata. Il secondo strato è quello dell'immunità innata, presente alla nascita in tutti gli animali, ha quattro armi di difesa. Quando il secondo strato viene superato scatta una difesa molto forte che è quello rappresentata dall'immunità adattativa che comprende sia una risposta umorale che una risposta di tipo cellulo-mediata.

Potete anche vedere da questa prima diapositiva, questi sono i virus invasori, sicuramente il contagio, ogni strato ha una propria efficacia resistente al nostro organismo, il passaggio da uno strato all'altro vedete come decresce il numero dei virus infettanti. Una barriera fisico chimica molto efficace, lo vedremo tra poco, a livello della cute una cute integra dice al virus tu non passi, basta la mia presenza per ostacolare il processo infettivo. Lacerazione della cute scatta immediatamente la risposta innata. Per alcune infezioni virali, come quelle da endovirus è sufficiente nelle maggior parte dei casi una risposta innata senza chiedere aiuto alla risposta adattativa per risolvere l'infezione. Comunque rimane di fondamentale importanza che anche l'immunità innata può non essere sufficiente alla risposta immunitaria, ecco però che abbiamo a nostra disposizione l'immunità adattativa le cui caratteristiche le descriveremo tra poco.

Vediamo una carrellata di quelle che sono le barriere fisiche; la cute integra è un ottima difesa perché tutto dipende dalla sua organizzazione negli strati più superficiali sono presenti delle cellule piene di cheratina, sono cellule morte, sapete molto bene che i virus per replicarsi hanno bisogno di cellule vive e la presenza di cellule morte fa si che questa non sia una strada aperta all'infezione virale. Quando la cute viene lesionata o in seguito ad una puntura di insetto i virus possono raggiungere gli strati più interni, i tratti basali, dove cellule vive consentono al virus di replicarsi. Se la pelle è una buona difesa, sarà ancora più facile per i virus realizzare un infezione tramite le mucose, mucose respiratorie sono rivestite da un epitelio cigliare rivestito da muco, ecco che queste ciglia muovendosi, se un virus è penetrato nelle vie respiratorie , rimuovono verso le parti alte delle vie respiratorie dove possono essere eliminate nell'ambiente esterno con un colpo di tosse. È importante anche il rivestimento del muco perchè il virus per iniziare un processo infettivo deve trovare nelle cellule dei recettori e questo muco riveste questi recettori e il virus non può svolgere la prima fase del ciclo replicativo rappresentata dalla fase di attacco tra anti-recettore virale e il recettore che è presente sulle cellule ospite. Sono barriere che il virus riesce a superare, sono molti i virus che riescono a superare questi ostacoli.

La mucosa del tratto digestivo cerca di opporsi ad un infezione virale, se il virus penetra nella bocca già nella saliva sono presenti anticorpi antivirali, il bacio ad esempio non è un veicolo di trasmissione del virus dell'HIV perchè nella saliva sono presenti virus delle proteasi che entrano nel ciclo di replicazione dell'HIV e già a livello della bocca il virus viene bloccato della propria (…). Se riescono a superare la bocca arrivano nello stomaco e trovano un ambiente drammatico con succhi gastrici, ph estremamente basso, condizioni che un virus deve essere proprio evoluto per superare queste barriere. Quando il virus arriva nell'intestino trova i succhi pancreatici e sali biliari che attaccano la particella modificandone la propria organizzazione e impedendone l'espressione e il conseguente ciclo replicativo. Queste mucose sono formate da un mono strato di cellule, al contrario la mucosa vaginale che è pluri stratificata le cellule superficiali sono cellule squamose altamente differenziate che hanno cessato di dividersi, ancora una volta una cellula quiescente non è un ambiente ottimale per il virus che ha bisogno di cellule metabolicamente attive ed inoltre questa mucosa per essere porta di ingresso per un virus deve essere lacerata, ma le difese non si limitano all'organizzazione della mucosa, ma sapete che la vagina è colonizzata da lattobacilli che determinano un ph estremamente basso situazione non vantaggiosa per la maggioranza dei virus. Possono essere superate ma il ruolo di queste barriere fisiche è quello di diminuire il numero di virus che penetrano all'interno del nostro organismo, penetrare nel nostro organismo vuol dire far scattare immediatamente quella che è la risposta innata.