Virus | |
---|---|
Datamaskinrekonstruksjon av et rotavirus | |
Vitenskapelig klassifisering | |
Domene | Acytota |
Gruppene I-VII | |
|
Et virus (fra latin vīrus , "gift") er en biologisk enhet med egenskapene til en obligatorisk symbiont eller parasitt , ettersom den replikerer utelukkende inne i cellene til organismer . Virus kan infisere alle former for liv, fra dyr , til planter , til mikroorganismer (inkludert andre smittestoffer som bakterier ) og til og med andre virus. [1] [2] Mange virusarter sameksisterer i levende vertssystemer på en symbiotisk måte, og individer av alle dyrearter, inkludert mennesker, er vanligvis vert for et stort antall symbiotiske virale arter, som danner en populasjon kalt virome .
Virus i sin isolerte form - kalt virion - er ekstremt små partikler av biologisk materiale (med dimensjoner fra titalls til hundrevis av nanometer ) sammensatt av DNA- eller RNA -tråder innelukket i en proteinkappe, kalt kapsid, dessuten kan de inneholde enzymer og være omgitt av en ekstra ekstern konvolutt, dannet av et lipidlag , og de kan utstyres med andre typer proteiner . [3] Formene for virus kan variere mye, men noen er mer vanlige, inkludert sfæriske, polyedriske, spiralformede, filiforme, amorfe eller sammensatte typer.
I 1892 beskrev Dmitri Ivanovsky i en artikkel et ikke-bakterielt patogen som er i stand til å infisere tobakksplanter , hvorfra Martinus Beijerinck i 1898 [4] oppdaget tobakksmosaikkviruset . Siden den gang har rundt 5 000 virusarter blitt beskrevet i detalj, [5] selv om det antas å være millioner av dem. [6] Virus finnes i nesten alle økosystemer på jorden og representerer den mest tallrike biologiske enheten av alle. [7] [8] Disiplinen som omhandler studiet av virus er kjent som virologi , en underspesialitet innen mikrobiologi .
Når de ikke er i infeksjonsstadiet eller inne i en infisert celle, eksisterer virus i form av uavhengige, inaktive partikler. Disse virale partiklene, også kjent som virioner , består av to eller tre deler: (I) det genetiske materialet som består av DNA eller RNA , lange molekyler som bærer genetisk informasjon; (II) en proteinkappe , kalt en kapsid , som omgir og beskytter det genetiske materialet; og i noen tilfeller (III) en ekstern konvolutt dannet av et lag med lipider , som omgir proteinbelegget, kalt perikapsid . Ikke alle virus har denne andre konvolutten (plantevirus, for eksempel, mangler det vanligvis). Virioner kan ha enkle, spiralformede og ikosaedriske former, men også mer komplekse arkitekturer. De fleste virus har virioner som er for små til å kunne ses med et lysmikroskop . I gjennomsnitt er virion omtrent en hundredel av gjennomsnittsstørrelsen til en bakterie .
Opprinnelsen til virus er ikke klar: de kan ha utviklet seg fra plasmider , eller fra transposoner og retrotransposoner , eller som nedbrytningsprodukter av cellulært DNA, eller til og med under RNA-fasen av verden , det vil si før livets opprinnelse. Evolusjon for virus er et viktig middel for horisontal genoverføring , noe som øker deres genetiske mangfold . [9] Virus anses av noen biologer som en livsform, ettersom de besitter genetisk materiale, reproduserer og utvikler seg gjennom naturlig utvalg . Imidlertid mangler de noen viktige egenskaper ved levende vesener, for eksempel en cellulær struktur og metabolisme . Fordi de har noen, men ikke alle egenskapene, har virus ofte blitt beskrevet som "organismer på kanten av livet". [10]
Virus trenger en vert (en celle , muligens en del av en flercellet organisme , eller et annet biologisk system) for å replikere , men de må også overføres fra en vert til en annen. Prosessen kan foregå på mange måter: planter trenger vanligvis en vektor, det vil si en mobil mellomorganisme, derfor overføres de ofte fra plante til plante av insekter som lever av saften deres (for eksempel bladlus ). Den samme mekanismen kan oppstå hos dyr av blodsugende parasitter . Imidlertid har flertallet av ikke-plantevirus evnen til å overføre seg selv uten bidrag fra andre vektorarter. Influensavirus sprer seg for eksempel direkte fra en vert til en annen gjennom luftveisutåndinger , og får særlig spredning gjennom fenomener som hosting og nysing . Norovirus og rotavirus , vanlige årsaker til viral gastroenteritt , overføres via fekal-oral rute , transporteres og deponeres på eksterne steder (som gjenstander, mat eller vannkilder) ved kontakt, og kan komme inn i kroppen med forurenset mat og drikke. HIV er ett av flere virus som overføres gjennom seksuell kontakt eller utveksling av kroppsvæsker, for eksempel blod. Settet med celletyper som et virus kan bruke til å replikere kalles dets " vert ". Dette er alltid celler utstyrt med systemer som er egnet for å replikere de genetiske sekvensene som finnes i viruset. Videre må virus også utstyres med spesialiserte mekanismer for å kunne passere gjennom vertscellenes membraner . Noen virus er i stand til å infisere bare noen få verter, mens andre er i stand til å infisere mange. [11]
Hos dyr forårsaker skadelige virusinfeksjoner en immunrespons som vanligvis dreper eller på annen måte nøytraliserer det smittende viruset. Dyr har generelt svært kraftige forsvar mot skadelige virus, som ikke bare består av responsmekanismer, automatiske eller målrettede, men også fysiske og kjemiske barrierer som er svært vanskelige for eksterne virus å overvinne. Immunresponser kan også produseres av vaksiner , som gir kunstig ervervet immunitet for den spesifikke virusinfeksjonen. Noen virus, som de som forårsaker AIDS og viral hepatitt , er imidlertid i stand til å unngå disse immunresponsene og forårsake kroniske infeksjoner. Siden virus ikke har noen metabolisme , kan ikke antibiotika eliminere dem og har ingen direkte effekt på dem. Indirekte effekter av noen antibiotika og antiparasittiske legemidler har blitt observert som hemmer vitale mekanismer til vertsceller [12] [13] [14] , men deres effektivitet er fortsatt tvilsom eller marginal. Ulike og spesifikke antivirale legemidler er utviklet , hvis evne til å bekjempe virus som helhet ser ut til å være begrenset i alle fall.
Ordet "virus" kommer fra det latinske ordet virus , som betyr "toksin" eller "gift". [15]
De av tobakksmosaikken var de første virale formasjonene som ble observert av mennesker i 1892, takket være arbeidet til den russiske forskeren Dmitry Iosifovič Ivanovskij . De ble opprinnelig kalt "filtrerbare virus" da de passerte gjennom filtre som holdt tilbake bakterier, keramiske filtre med mikrometrisk porøsitet, men i motsetning til enkle giftstoffer, kunne de holdes tilbake av ultrafiltre. De vil definitivt bli klassifisert som et virus i 1898 av den nederlandske botanikeren Martinus Willem Beijerinck , som ved hjelp av filtreringseksperimenter på infiserte tobakksblader var i stand til å demonstrere at tobakksmosaikken er forårsaket av et smittestoff som er mindre enn en bakterie .
Valget av det latinske ordet virus gir problemer med å ville utlede flertall av det, slik det er vanlig i taksonomien (se animalia for dyr, plantae , for planter osv.). Siden det er et nøytralt ord av II-deklinasjonen og ender på -us i de tre direkte tilfellene (nominativ, akkusativ og vokativ), regnes det som uregelmessig. Det avvises i skråstilte tilfeller (genitiv, dativ og ablativ) med synonymet venēnum . Det skal være singular tantum , det vil si at det bare har entall, som "ris" eller "luft". I spesielle tilfeller kan det gjøres flertall, men denne formen har ikke kommet ned til oss. Lwoff, Horne og Tournier, i sin klassifisering fra 1962, foreslår og bruker vira -formen . I den engelsktalende verden brukes den ukorrekte formen virii (fra vīriī) , mest for å referere til datavirus , mens i det biologiske feltet brukes den engelske flertallsformen virus . Vīriī er feil siden det forutsetter ordet vīrius (som radius , radiī ), som ikke eksisterer. Et annet tenkelig flertall er vīrī , som imidlertid ville kreve ordet vir som entall , som betyr "mann" og er gjengitt i flertall som vĭrī .
Begrepet "virion" (flertall "virioner"), laget på fransk i 1959 i formen "virion" [16] og kom inn på det italienske språket i 1983, brukes også for å referere til en enkelt viral partikkel, stabil og smittsom, som frigjøres fra cellen og er fullt i stand til å infisere andre celler av samme type. [17]
Louis Pasteur var i stand til å bestemme årsaken til rabies og spådde eksistensen av et patogen som var for lite til å bli oppdaget ved hjelp av et mikroskop . [18] I 1884 oppfant den franske mikrobiologen Charles Chamberland et filter (i dag kjent som Chamberland -filteret eller Chamberland-Pasteur-filteret) med porer som er mindre enn bakteriene, slik at de kunne fjernes fullstendig ved å filtrere væsken som inneholder bakteriene i Suspension. . [19]
I 1892 brukte den russiske biologen Dmitri Ivanovsky dette filteret til å studere det som nå er kjent som tobakksmosaikkviruset . Eksperimentene hans viste at bladekstrakter fra knuste og infiserte tobakksplanter forblir smittsomme etter filtrering. Ivanovsky antydet at infeksjonen kunne være forårsaket av et giftstoff produsert av bakterier, men utdypet ikke saken. [20] På den tiden trodde man at alle smittestoffer kunne holdes tilbake av filtre og dyrkes på næringsmedium. [21] I 1898 gjentok den nederlandske mikrobiologen Martinus Beijerinck forsøkene og ble overbevist om at den filtrerte løsningen inneholdt en ny form for smittestoff. [22] Han observerte at dette middelet bare formerte seg i celledelinger, men siden hans eksperimenter ikke viste at det var laget av partikler, kalte han det contagium vivum fluidum (oppløselig kime til liv), og gjeninnførte ordet virus. [20] Beijerinck hevdet at virus var flytende i naturen, en teori som senere ble diskreditert av Wendell Meredith Stanley , som beviste at de var partikler. [20] Samme år isolerte Friedrich Loeffler og Paolo Frosch det første dyreviruset, agensen for munn- og klovsyke ( aftovirus ), gjennom et lignende filter. [23]
På 1900-tallet oppdaget den engelske bakteriologen Frederick Twort en gruppe virus som er i stand til å infisere bakterier, i dag kalt bakteriofager [21] (eller vanligvis fager) og den fransk-kanadiske mikrobiologen Félix d'Herelle beskrev et virus som, når det ble lagt til bakterier på agar ville det produsere områder med døde bakterier. Han fortynnet forsiktig en suspensjon av disse virusene og fant ut at de høyeste fortynningene (laveste viruskonsentrasjoner), i stedet for å drepe alle bakteriene, dannet diskrete områder av døde organismer. Ved å telle disse sektorene og multiplisere med fortynningsfaktoren var han i stand til å beregne antall virus i den opprinnelige suspensjonen. [24] Fager ble ansett som en potensiell behandling for noen sykdommer som tyfus og kolera , men denne ideen ble lagt til side takket være introduksjonen av penicillin . Studiet av fager har imidlertid tillatt oss å forstå noen aspekter ved genuttrykk og en nyttig mekanisme for å introdusere fremmede gener i bakterier.
På slutten av 1800-tallet ble virus klassifisert etter deres smitteevne, deres evne til å bli filtrert og kravene til deres levende verter. Virus ble opprinnelig dyrket kun i planter og dyr. I 1906 introduserte Ross Granville Harrison en metode for dyrking i lymfe, og i 1913 brukte E. Steinhardt, C. Israeli og RA Lambert denne metoden for å avle frem virus som var bestemt til å bli vaksiner i fragmenter av et marsvins hornhinnevev. [25] I 1928 multipliserte HB Maitland og MC Maitland vaksinevirus i suspensjoner av kyllingnyrer. Metoden deres begynte å bli bredt tatt i bruk fra 1950, da polioviruset ble dyrket i stor skala for produksjon av poliovaksinen . [26]
Et annet gjennombrudd kom i 1931, da den amerikanske patologen Ernest William Goodpasture dyrket influensaviruset og mange andre virus i eggene til befruktede høner. [27] I 1949 dyrket John Franklin Enders , Thomas Weller og Frederick Robbins polioviruset i dyrkede celler på menneskelige embryoer , det første viruset som ble dyrket uten bruk av fast dyrevev eller egg. Dette arbeidet gjorde det mulig for Jonas Salk å lage en effektiv poliovaksine. [28]
De første bildene av virus ble oppnådd etter oppfinnelsen av elektronmikroskopet i 1931, takket være arbeidet til de tyske ingeniørene Ernst Ruska og Max Knoll . [29] I 1935 analyserte den amerikanske biokjemikeren og virologen Wendell Meredith Stanley tobakksmosaikkviruset og viste at det hovedsakelig bestod av proteiner. [30] Kort tid etter var det mulig å skille proteiner fra RNA i dette viruset. [31] Tobakksmosaikkviruset var det første som ble krystallisert og strukturen ble deretter analysert i detalj. De første røntgendiffraksjonsbildene av det krystalliserte viruset ble tatt av Bernal og Fankuchen i 1941. Basert på bildene deres oppdaget Rosalind Franklin , i 1955, den fullstendige strukturen til viruset. [32] Samme år demonstrerte Heinz Fraenkel-Conrat og Robley Williams at det rensede tobakksmosaikkviruset og dets proteinkappe er i stand til å selvmontere funksjonelle virus, noe som tyder på at denne enkle mekanismen sannsynligvis var måten virus skapes på i vertscellene deres. [33]
Andre halvdel av 1900-tallet var en gullalder for studiet av virus, og de fleste av de rundt 5000 artene har blitt oppdaget i løpet av disse årene. [34] I 1957 ble arteriviridae av hestefamilien oppdaget , årsaken til bovin viral diaré (et pestivirus ). I 1963 oppdaget Baruch Blumberg hepatitt B-viruset , [35] og i 1965 beskrev Howard Temin det første retroviruset . Revers transkriptase , enzymet som retrovirus bruker for å lage DNA-kopier av RNA-et sitt, ble først beskrevet i 1970, uavhengig av Howard Martin Temin og David Baltimore . [36] I 1983 isolerte gruppen ledet av Luc Montagnier ved Pasteur Institute i Frankrike først retroviruset som nå kalles HIV . [37]
Virus er alle obligatoriske intracellulære parasitter. Utenfor vertscellene består de av et virion , dannet av en proteinkapsel (kalt kapsid ) som inneholder nukleinsyren ( DNA eller RNA ). Eukaryote virus kan også ha en membran som omgir kapsiden kalt peplos eller perikapsid . Noen ganger presenterer de mellom kapsiden og peplos et ekstra proteinlag som tar navnet integument. Virioner har ingen metabolisme: de transporteres derfor passivt til de finner en celle å infisere. Infeksjon av en vertscelle krever binding til spesifikke membranproteiner.
I infiserte celler mister virus sin strukturelle individualitet: de består av nukleinsyrer og deres produkter som tar kontroll over en del av den cellulære biosyntetiske aktiviteten for å produsere nye virioner.
Alternativt kan noen virus fysisk sette inn genomet sitt i verten slik at det replikeres sammen med det. Det virale genomet som er satt inn i verten, kalt provirus , gjenvinner sin individualitet og produserer nye virioner i tilfelle skade på vertscellen.
Virus kan ha eksistert siden utviklingen av de første levende cellene. [38] Opprinnelsen til virusene er imidlertid uklar da de ikke danner fossiler i klassisk forstand av begrepet; Molekylære teknikker har blitt brukt for å sammenligne DNA eller RNA til virus og har vist seg svært nyttige for å undersøke hvordan de kan ha dukket opp i antikken. [39] Videre kan viralt genetisk materiale av og til passere inn i kimlinjen til vertsorganismer, slik at vertsetterkommerne vil få viruset integrert i sitt eget genom. Dette gir en verdifull informasjonskilde for virologer for å spore de eldgamle virusene som eksisterte gratis for millioner av år siden. Det er tre hovedhypoteser, beskrevet nedenfor, som tar sikte på å forklare opprinnelsen til virus. [40] [41]
Denne teorien sier at virus en gang kan ha vært små parasittiske celler av større celler. Over tid har gener som ikke kreves av deres parasittiske natur gått tapt. Bakterier av slektene Rickettsia og Chlamydia er celler som, i likhet med virus, bare er i stand til å reprodusere i levende vertsceller. De støtter denne hypotesen med den begrunnelse at deres avhengighet til parasittisme sannsynligvis førte til at de mistet genene som kunne tillate dem å overleve utenfor en celle. Denne hypotesen kalles også degenerasjon [42] [43] eller reduksjon . [44]
Dette, noen ganger kalt vandrerhypotesen [42] [45] eller flukthypotesen, [44] består i å tro at noen virus utviklet seg fra fragmenter av DNA eller RNA som "rømte" fra gener i en større organisme. Det rømte DNAet kan ha kommet fra plasmider (DNA-fragmenter som kan bevege seg mellom celler) eller transposoner / retrotransposoner (DNA-molekyler som replikerer og beveger seg fra forskjellige steder i cellens gener). [46] En gang kalt "hoppende gener", er transposoner eksempler på mobile genetiske elementer som kan være opphavet til noen virus fordi de har lignende sekvenser. De ble oppdaget i mais av Barbara McClintock i 1950. [47]
Dette kalles også den første virushypotesen [44] og foreslår at virus utviklet seg fra komplekse molekyler av proteiner og nukleinsyrer samtidig som cellen først dukket opp på jorden og ville forbli avhengig av celleliv i milliarder av år. Viroider er RNA - molekyler som ikke er klassifisert som virus siden de mangler en proteinkappe. De har imidlertid egenskaper som er felles for flere virus og kalles ofte subvirale midler. [48] Viroider er viktige plantepatogener. [49] Disse koder ikke for proteiner, men samhandler med vertscellen og bruker dens strukturer til å replikere. [50] Det humane hepatitt delta-viruset har et viroid-lignende RNA- genom , men har en proteinkappe avledet fra hepatitt B-viruset og kan ikke produsere sitt eget. Det er derfor et defekt virus . Selv om genomet til hepatitt delta-viruset kan replikere uavhengig i en vertscelle, krever det tilstedeværelsen av hepatitt B-viruset for å gi det et proteinbelegg slik at det kan overføres til nye celler. [51] På samme måte er Sputnik -virofagen avhengig av mimivirus , og infiserer protozoen Acanthamoeba castellanii . [52] Disse virusene, som er avhengige av tilstedeværelsen av andre virusarter i vertscellen, kalles "satelitter" og kan representere evolusjonære mellomprodukter av viroider og virus. [53] [54]
Tidligere har det vært problemer med alle disse hypotesene: den regressive hypotesen forklarer ikke hvorfor selv de minste celleparasittene ikke ligner virus på noen måte. Rømningshypotesen forklarer ikke tilstedeværelsen av komplekse kapsider og andre strukturer av virale partikler. Den første virushypotesen bryter med selve definisjonen av et virus som krever en vertscelle. [44] Virus er nå anerkjent som svært eldgamle og med en opprinnelsesdato før livets divergens i de tre domenene . [55] Denne oppdagelsen har fått moderne virologer til å revurdere og revurdere de tre klassiske hypotesene. [55] .
Bevis på en forfedres verden av RNA-celler [56] og dataanalyser av virale DNA-sekvenser gir en bedre forståelse av de evolusjonære relasjonene mellom forskjellige virus og kan hjelpe til med å identifisere forfedrene til moderne virus. Disse analysene kunne ikke bevise hvilken av hypotesene som er formulert som er mer korrekt [56] , men det virker usannsynlig at alle kjente virus har en felles stamfar og sannsynligvis ble mange virus født i fortiden med forskjellige mekanismer. [57]
Det er uenighet om hvorvidt virus er en form for liv eller organiske strukturer som samhandler med levende organismer. De har blitt beskrevet av en forfatter som "organismer på kanten av livet", [10] siden de ligner organismer som besitter gener og utvikler seg ved naturlig utvalg [58] og reproduserer ved å lage flere kopier av seg selv gjennom en mekanisme for selvmontering som også ville få dem til å definere som «skapere av mangfold» [59] . Selv om de har gener, har de ikke en cellulær struktur, som ofte blir sett på som den grunnleggende enheten i livet. Virus har ikke engang sin egen metabolisme og trenger vertscellen for å lage nye produkter. Derfor kan de ikke reprodusere seg naturlig utenfor en vertscelle. [60] Imidlertid regnes bakteriearter som rickettsiae og chlamydiae som levende organismer til tross for at de har samme begrensning. [61] [62] Aksepterte livsformer bruker celledeling for å reprodusere, mens virus samles spontant i cellene. De skiller seg fra autonom krystallvekst ved at de arver genetiske mutasjoner og er gjenstand for naturlig utvalg . Selvmontering av virus i vertsceller har implikasjoner for studiet av livets opprinnelse , da det gir ytterligere tro på hypotesen om at liv kan ha oppstått fra selvmonterte organiske molekyler. [63]
Virus viser et stort mangfold av former og størrelser, kalt morfologier. Generelt er virus mye mindre enn bakterier. De fleste virusene som er studert har en diameter mellom 20 og 300 nanometer . Noen filovirus går opp til en total lengde på 1400 nm, men deres diameter er bare rundt 80 nm. [64] De fleste virus kan ikke sees med et lysmikroskop , og derfor kreves elektronmikroskopi for å se virioner . [65] For å øke kontrasten mellom virusene og bakgrunnen brukes elektrontette «fargestoffer». Dette er løsninger av tungmetallsalter, for eksempel wolfram , som sprer elektroner. Når virionene er belagt med denne flekken (positiv farging), skjules de små detaljene. Negativ fargelegging overvinner dette problemet ved å fargelegge bare bakgrunnen. [66]
En komplett viral partikkel, kjent som et virion, består av nukleinsyre omgitt av et beskyttende belegg dannet av proteiner kalt kapsid . Dette er laget av identiske proteinunderenheter kalt kapsomerer . [67] Virus kan ha en ytterste lipid-"lomme" avledet fra vertscellemembranen, kalt perikapsid.
Kapsiden består av proteiner kodet av det virale genomet, og formen tjener som grunnlag for den morfologiske distinksjonen. [68] [69] For at de kodede virale proteinunderenhetene skal sette seg selv sammen for å danne kapsidet, kreves vanligvis tilstedeværelsen av det virale genomet. Komplekse virus koder for proteiner som hjelper til med å bygge kapsiden deres. Proteinene assosiert med nukleinsyren er kjent som nukleoproteiner , og assosiasjonen av virale kapsidproteiner med den virale nukleinsyren kalles nukleokapsiden . Kapsiden og hele strukturen til viruset kan undersøkes fysisk gjennom atomkraftmikroskopet . [70] [71] Generelt kan virus deles inn i fem morfologiske typer:
Helical Disse virusene er sammensatt av en enkelt type kapsomer stablet rundt en sentral akse, og danner en spiralformet struktur , som kan ha et sentralt hulrom. Dette arrangementet involverer stavformede eller filamentøse virioner: disse kan være korte og ekstremt stive eller lange og veldig fleksible. Genetisk materiale, generelt, enkelttrådet RNA, men i noen tilfeller også enkelttrådet DNA, er bundet i proteinspiralen av interaksjonene mellom den negativt ladede nukleinsyren og de positive ladningene plassert på proteinet. Generelt er lengden av et spiralformet kapsid relatert til lengden av nukleinsyren inneholdt i det, og diameteren avhenger av størrelsen og arrangementet av kapsomerene. Tobakksmosaikkviruset og rabiesviruset er godt analyserte eksempler på spiralformede virus. [72] Icosahedral De fleste virus som påvirker dyr er ikosaedriske eller nesten sfæriske i morfologi med ikosaedrisk symmetri. Et vanlig icosahedron er en optimal måte å danne et lukket skall fra identiske underenheter. Minimumsantallet av identiske kapsomerer som kreves er tolv, hver bestående av fem identiske underenheter. Mange virus, som rotavirus , har mer enn tolv kapsomerer og virker sfæriske mens de opprettholder denne symmetrien. Kapsomerene i toppene er omgitt av fem andre kapsomerer og kalles pentoner . Kapsomerene på de trekantede flatene er omgitt av seks andre og kalles eksoner. [73] Eksonene er i hovedsak flate, mens pentonene som danner de 12 toppunktene er krumlinjede. Det samme proteinet kan fungere som underenheter i både pentoner og eksoner, eller de kan være sammensatt av forskjellige proteiner. Prolata Noen virus har en langstrakt kapselform, bestående av en sylindrisk struktur lukket i endene av to hetter, som gir virion en eggformet form som ligner et luftskip eller en rugbyball. Det er faktisk en langstrakt ikosaederstruktur omtrent fem ganger langs aksen, og er typisk for bakteriofaghodene. [74] Innkapslet Noen typer virus er omsluttet av en konvolutt - kalt perikapsid - som har en lipidkonstitusjon og ligner cellemembraner i struktur. Den er bygget fra en infisert vertscellemembran, den ytre membranen som omgir cellen eller indre membraner som kjernemembranen eller det endoplasmatiske retikulumet , avhengig av virusets spesifikke mekanisme, og utgjør en modifisert form av det. Virionet oppnår dermed et eksternt lipid-dobbeltlag som ligner på en cellemembran, kjent som perikapsid eller viral konvolutt, som gir partikkelen en avrundet eller uregelmessig form. Denne membranen er besatt med proteiner av ulike typer, kodet av det virale genomet og av vertsgenomet; selve lipidmembranen og eventuelle tilstedeværende karbohydrater kommer helt fra verten. Konvolutten og dens proteiner kan fungere som "nøkler" for å penetrere vertscellene. Denne typen er svært vanlig blant dyrevirus. Influensa- og HIV-virusene bruker denne strategien, det samme gjør syncytial- og vannkoppevirus , som begge har en uregelmessig konvolutt. Smittsomheten til de fleste av disse virusene avhenger av deres konvolutt. [75] Kompleks Disse virusene har et kapsid som verken er rent spiralformet eller rent ikosaedrisk og som kan ha ekstra strukturer som proteinhaler eller en kompleks ytre vegg. Noen bakteriofager, slik som t4-bakteriofager, har en kompleks struktur som består av et ikosaedrisk hode assosiert med en spiralformet hale, som kan ha en sekskantet bunnplate med en utstående proteinhale. Denne halestrukturen fungerer som en molekylær sprøyte, fester seg til vertsbakterien og injiserer deretter det virale genomet inn i cellen. [76] Kjempevirus Poxvirus er store og komplekse virus med en uvanlig morfologi. Det virale genomet er assosiert med proteiner i en sentral platestruktur kjent som nukleoiden. Nukleoiden er omgitt av en membran og to laterale legemer med ukjent funksjon. Viruset har en ytre konvolutt med et veldig tykt lag med protein besatt på overflaten. Hele virionen er litt pleimorf , med en eggformet form. [77] Mimivirus er et av de største karakteriserte virusene, med en kapsiddiameter på 400 nm. Proteinfilamentene rager 100 nm fra overflaten. Under elektronmikroskopet virker kapsiden sekskantet, så den er sannsynligvis icosaedral. [78] I 2011 oppdaget forskere det største kjente viruset i vannprøver tatt fra bunnen av Stillehavet utenfor kysten av Las Cruces i Chile . Foreløpig kalt Megavirus chilensis , kan det sees med et grunnleggende lysmikroskop. [79] I 2013 ble pandoravirus- slekten oppdaget i Chile og Australia og har et genom som er omtrent dobbelt så stort som megavirus chilensis og mimivirus . [80] Denne typen virus er enormt forskjellige i form og genom, men de deler egenskapene til å infisere amøber , og det er mistanke om at de kan være svært vanlige. Merkelige morfologier Noen virus som er i stand til å infisere Archaea har komplekse strukturer som ikke er relatert til noen annen form for virus, med et bredt utvalg av uvanlige former, alt fra spindelformede strukturer, til virus som ligner krokete stenger eller til og med flasker. Andre arkeale virus ligner halen til bakteriofager og kan ha flere halestrukturer. [81]Eiendom | Parametere |
---|---|
Nukleinsyre |
|
Skjema |
|
Kjeder |
|
Føle |
|
Et stort utvalg av genomiske strukturer kan finnes blant virale arter; som en gruppe inneholder de større strukturelt genomisk mangfold enn planter, dyr, arkea eller bakterier. Det finnes millioner av forskjellige virusarter [6] , selv om bare rundt 5 000 arter er beskrevet i detalj. [5] Per september 2015 hadde NCBI-virusgenomdatabasen mer enn 75 000 komplette genomiske sekvenser [82] , men det er utvilsomt mange flere å oppdage. [83]
Et virus kan være utstyrt med et DNA eller et RNA -genom og derfor kalles de henholdsvis DNA-virus eller RNA-virus; de aller fleste er RNA. Plantevirus har en tendens til å ha genomer sammensatt av en enkelt RNA-streng mens bakteriofager ofte har et dobbelttrådet DNA-genom. [84]
Virale genomer kan være sirkulære, som i polyomavirus , eller lineære som i adenovirus . Typen nukleinsyre er irrelevant for formen på genomet. Mellom RNA-virus og visse DNA-virus er genomet ofte delt inn i distinkte deler, i så fall kalles det "segmentert". For RNA-virus koder hvert segment ofte for bare ett protein og finnes vanligvis i en enkelt kapsid. Imidlertid trenger ikke alle segmenter å være i samme virion for at viruset skal være smittsomt, som demonstrert av tobakksmosaikkviruset og mange andre plantevirus. [64]
Et viralt genom, uavhengig av typen nukleinsyre, er enkelt- eller dobbelttrådet. Enkeltrådede genomer består av en uparret nukleinsyre. Dobbelttrådet genom består av to komplementære parede nukleinsyrer. Nesten alle virus har bare én type tråd, enkelt eller dobbel, men noen familier av virus, slik som de som tilhører Hepadnaviridae , inneholder begge typer tråder: det vil si at de har et genom som er delvis enkelttrådet og delvis dobbelt. -strandet. [84]
For de fleste virus med RNA-genom og noen med enkelttrådede DNA-genomer, klassifiseres individuelle tråder som positiv sans (kalt positiv streng ) eller negativ sans (kalt negativ streng ), avhengig av om de er komplementære til hverandre. ' Viral messenger RNA (mRNA). Viralt RNA med positiv sans er i samme betydning som viralt mRNA, og derfor kan i det minste en del av det oversettes umiddelbart av vertscellen. Negativ-sense viral RNA er komplementær til mRNA og må derfor omdannes til positiv-sense RNA av en RNA-avhengig RNA-polymerase før translasjon. Nomenklaturen til DNA-virus med et enveis ssDNA-genom ligner på RNA-nomenklaturen ved at malstrengen for det virale mRNA er komplementær til den (-) og den kodende tråden er en kopi (+). [64] Imidlertid har forskjellige typer ssDNA- og ssRNA-virus genomer som er ambisense og at transkripsjon kan skje fra begge trådene til en mellomliggende replikativ dobbelttråd. Eksempler inkluderer geminivirus , som er plante-ssDNA-virus og mange arenavirus som er animalske ssRNA-virus. [85]
Størrelsen på genomet varierer mye mellom artene. De mindre virale genomene, ssDNA - cirkovirusene fra circoviridae -familien , koder bare for to proteiner og har en genomstørrelse på bare to kilobaser; [86] det største av pandoravirusene kan ha en genomstørrelse på omtrent to megabaser som koder for omtrent 2500 proteiner. [87]
Generelt har RNA-virus mindre genomstørrelser enn DNA-virus på grunn av en høyere feilrate under replikering og har en øvre maksimal størrelsesgrense. [39] Utover denne grensen, gjør feil i genomet under replikering viruset ubrukelig eller ikke-smittsomt. For å kompensere for dette har RNA-virus ofte et segmentert genom: genomet deles derfor opp i mindre molekyler, og reduserer dermed muligheten for at en enkeltkomponentfeil vil deaktivere hele genomet. Derimot har DNA-virus vanligvis større genomer på grunn av den høye troverdigheten til replikasjonsenzymene deres. [88] Enkeltrådede DNA-virus er et unntak fra denne regelen, men mutasjonsratene til disse genomene kan nærme seg det ekstreme tilfellet med ssRNA-virus. [89]
Virus gjennomgår genetiske mutasjoner gjennom flere mekanismer. Disse inkluderer en prosess kalt antigen drift hvis individuelle baser i DNA eller RNA muterer andre baser. De fleste av disse punktmutasjonene er "stille", noe som betyr at de ikke endrer proteinet som genet koder for. Men andre kan gi evolusjonære fordeler som resistens mot antivirale legemidler . [90] [91] Antigenskifte skjer når det er en stor endring i genomet til viruset. Dette kan være et resultat av en rekombinasjon eller et resortiment. Når dette skjer med influensavirus, kan pandemier oppstå . [92] RNA-virus eksisterer ofte som kvasiarter eller svermer av virus av samme art, men med en litt annen nukleotidsekvens enn genomet. Slike kvasiarter er et primært mål for naturlig utvalg. [93]
Sekvenser av genomer gir evolusjonære fordeler; Ulike stammer av et virus med et segmentert genom kan blande og kombinere gener og dermed produsere virusavkom med unike egenskaper. Dette kalles restocking. [94]
Genetisk rekombinasjon er prosessen der en DNA-streng brytes og deretter kobles sammen på slutten av et annet DNA-molekyl. Dette kan oppstå når virus infiserer celler samtidig og studier av viral evolusjon har vist at rekombinasjon var svært vanlig hos arten som ble studert. [95] Rekombinasjon er felles for begge virus, både RNA og DNA. [96] [97]
Virus er ikke i stand til å reprodusere seg gjennom celledeling da de ikke er celler. De utnytter derfor metabolismen og ressursene til en vertscelle til å produsere flere kopier av seg selv som samles i cellen.
Livssyklusen til virus varierer sterkt på tvers av arter, men det er seks grunnleggende stadier: [98]
Det genetiske materialet i viruspartiklene og metoden for replikering av materialet varierer sterkt mellom ulike typer virus.
Genomreplikasjon av de fleste DNA-virus skjer i cellekjernen . Hvis cellen har riktig reseptor på overflaten, kommer disse virusene noen ganger inn i cellen ved direkte fusjon med cellemembranen (for eksempel herpesvirus ) eller oftere. ved reseptormediert endocytose . De fleste DNA-virus er helt avhengige av vertscellens DNA og dens RNA-syntese- og prosesseringsverktøy. Imidlertid kan virus med større genomer kode de fleste av de samme verktøyene. Hos eukaryoter må det virale genomet krysse cellens kjernemembran for å få tilgang til replikasjonsmekanismene, mens det i bakterier bare trenger å komme inn i cellen. [106] Replikasjon skjer vanligvis i cytoplasmaet . RNA-virus kan klassifiseres i fire forskjellige grupper basert på hvordan de replikerer. Polariteten (enten den kan eller ikke kan brukes direkte av ribosomer til å lage proteiner) til enkelttrådede RNA-virus bestemmer i stor grad replikasjonsmekanismen; det andre hovedkriteriet er om det genetiske materialet er enkelt- eller dobbelttrådet. Alle RNA-virus bruker sine egne RNA-replikase- enzymer for å lage kopier av genomene sine. [107]Omvendt transkripsjonsvirus
Omvendt transkripsjonsvirus har ssRNA ( Retroviridae , Metaviridae , Pseudoviridae ) eller dsDNA ( Caulimoviridae , Hepadnaviridae ) i partiklene. De med RNA-genom ( retrovirus ) bruker et DNA-mellomprodukt for å replikere, mens de med DNA-genom ( pararetrovirus ) bruker et RNA-mellomprodukt under genomreplikasjon. Begge typer bruker en revers transkriptase , eller et DNA-polymerase (RNA-avhengig) enzym for å utføre nukleinsyrekonvertering. Retrovirus integrerer DNA produsert ved revers transkripsjon i vertsgenomet som et provirus som en del av replikasjonsprosessen; pararetrovirus gjør det imidlertid ikke, selv om genomkopier av spesielle pararetrovirus infiltrert i planter kan gi opphav til smittsomme virus. [108] De er mottakelige for antivirale legemidler som hemmer revers transkriptase-enzymet, for eksempel zidovudin og lamivudin . Et eksempel på den første typen er HIV, som er et retrovirus . Eksempler på den andre typen er hepadnaviridae , som inkluderer hepatitt B-viruset. [109]Det er et bredt spekter av strukturelle og biokjemiske effekter som virus produserer på vertscellen. [110] Disse kalles cytopatiske effekter . [111] De fleste virusinfeksjoner resulterer til slutt i vertscelledød. Dødsårsakene er cellelyse , endringer i celleoverflatemembranen og apoptose . [112] Celledød er ofte forårsaket av opphør av dens normale aktiviteter på grunn av undertrykkelse av virusspesifikke proteiner, som ikke alle er komponenter av viruspartikkelen. [113]
Noen virus forårsaker ingen tilsynelatende endringer i den infiserte cellen. Celler der viruset er latent og inaktivt viser lite tegn på infeksjon og lever ofte normalt. [114] Dette forårsaker vedvarende infeksjoner og viruset forblir ofte i dvale i mange måneder eller år. Dette skjer ofte, for eksempel med herpesviruset . [115] [116] Noen virus, slik som Epstein-Barr-viruset, kan få celler til å formere seg uten å forårsake malignitet, [117] mens andre, som papillomaviruset , nå er etablerte årsaker til kreft . [118]
Virus er de klart mest tallrike biologiske enhetene på jorden og overgår alle andre til sammen. [119] De er i stand til å infisere alle typer cellulært liv, inkludert dyr , planter , bakterier og sopp . [5] De forskjellige typene virus kan imidlertid bare infisere et begrenset utvalg av verter og mange er artsspesifikke. Noen, som for eksempel det humane koppeviruset , kan bare infisere én art, i dette tilfellet mennesker, [120] og sies derfor å ha et smalt utvalg av potensielle verter. Andre virus, som rabiesviruset , kan infisere flere pattedyrarter og sies å ha et bredt spekter av verter. [121] Virus som infiserer planter er ufarlige for dyr, og de fleste virus som infiserer andre dyr er ufarlige for mennesker. [122] Utvalget av mulige verter for noen bakteriofager er begrenset til en enkelt bakteriestamme og kan brukes til å spore kilden til infeksjonsutbrudd ved hjelp av en metode som kalles fagotyping . [123]
Klassifiseringen søker å beskrive mangfoldet av virus ved å navngi og gruppere dem på grunnlag av likheter. I 1962 utviklet André Lwoff , Robert W. Horne og Paul Tournier først et virusklassifiseringssystem, basert på Linnés hierarkiske system . [124] Denne tilnærmingen er basert på filum , klasse , rekkefølge , familie , slekt og art . Virus har blitt gruppert basert på deres felles egenskaper (ikke de til vertene deres) og typen nukleinsyre som danner genomene deres. [125] Den internasjonale komiteen for taksonomi av virus ble deretter dannet.
Den internasjonale komiteen for taksonomi av virus (ICTV) utviklet det gjeldende klassifiseringssystemet og formulerte retningslinjer som tillegger visse virale egenskaper større vekt for å opprettholde familiens enhetlighet. En enhetlig taksonomi (et universelt klassifiseringssystem for virus) er etablert. lCTV 9-rapporten [126] definerer begrepet virale arter som den laveste gruppen i det forgrenende hierarkiet av virus. [127] Imidlertid er bare en liten brøkdel av virusene studert, med analyser av prøver fra mennesker som viser at omtrent 20 % av de gjenvunnede virussekvensene aldri har blitt sett før, mens prøver fra miljøet, som sjøvann og havsedimenter. avslørte tilstedeværelsen av et stort flertall av helt nye sekvenser. [128]
Den generelle taksonomiske strukturen er som følger:
Domene ( -viria ) Underdomene ( -vira ) Kingdom ( -viriae ) Underrike ( -virites ) Fylum ( -viricota ) Subfylum ( -virikotin ) Klasse ( -viricetes ) Underklasse ( -viricetidae ) Bestill ( -virales ) Underorden ( -virineae ) Familie ( -viridae ) Underfamilie ( -virinae ) Kjønn ( -virus ) Underslekt ( -virus ) ArterI den nåværende (2019) ICTV-taksonomien er det etablert fire domener: Duplodnaviria , Monodnaviria , Riboviria og Varidnaviria , i tillegg til andre virus som ikke er tilordnet noe domene. Komiteen er ikke ansvarlig for nomenklatur og klassifisering av virus under artsrangering , dvs. underarter , varianter , isolater , genotyper og serotyper . ICTV-nomenklaturen og taksonomireglene er rapportert i International Code of Virus Classification and Nomenclature (ICVCN). Totalt er det 7 ordener, 103 familier, 22 underfamilier, 455 slekter, rundt 2 827 arter og over 4 000 typer som ennå ikke er klassifisert. [126] [129] [130]
Nobelprisvinnerens biolog David Baltimore utviklet Baltimores klassifiseringssystem . [36] [131]
Klassifiseringen av Baltimore-virus er basert på mRNA -produksjonsmekanismen . Virus må generere mRNA fra genomet for å lage proteiner og replikere, men forskjellige mekanismer brukes for å oppnå dette i hver virusfamilie. Virale genomer kan være enkelttrådet (ss) eller dobbelttrådet (ds), RNA eller DNA, og kan eller ikke kan bruke revers transkriptase (RT). Videre kan ssRNA-virus være både sense (+) og antisense (-). Denne klassifiseringen plasserer virus i syv grupper:
Som et eksempel på viral klassifisering tilhører varicellaviruset , varicella zoster (VZV), ordenen Herpesvirales , familien Herpesviridae , underfamilien Alphaherpesvirinae og slekten Varicellovirus . VZV er i gruppe I i Baltimore-klassifiseringen fordi det er et dsDNA-virus som ikke bruker revers transkriptase.
Eksempler på vanlige menneskelige sykdommer forårsaket av virus inkluderer forkjølelse , influensa , vannkopper og forkjølelsessår . Det er også alvorlige tilstander, som AIDS , ebolavirussykdom , fugleinfluensa , SARS og COVID-19 som er forårsaket av virus. Den relative evnen til et virus til å forårsake en sykdom er beskrevet i form av dets virulens . Andre sykdommer blir fortsatt undersøkt for å finne ut om de har et virus som forårsakende middel, for eksempel om det er en mulig sammenheng mellom humant herpesvirus 6 (HHV-6) og nevrologiske sykdommer som multippel sklerose og kronisk utmattelsessyndrom . [133] Det er heftig debatt om muligheten for at bornavirus , som antas å forårsake nevrologiske sykdommer hos hester , også kan være ansvarlig for noen psykiatriske sykdommer hos mennesker. [134]
Virus har forskjellige mekanismer som forårsaker sykdom i en organisme, som i stor grad avhenger av virusarten. Mekanismer på cellenivå inkluderer hovedsakelig cellelyse , som involverer brudd på cellen og dens påfølgende død. I flercellede organismer, hvis et stort nok antall celler dør, vil hele organismen begynne å lide av effektene. Selv om virus forårsaker tap av homeostase , noe som resulterer i utbruddet av en sykdom, kan det eksistere relativt harmløse i en organisme. Et eksempel kan inkludere evnen til herpes simplex-viruset , ansvarlig for forkjølelsessår, til å forbli i en inaktiv tilstand i menneskekroppen, en tilstand som kalles "latens" [135] som er karakteristisk for herpesvirus, inkludert Epstein-Barr-virus , som forårsaker kjertelfeber , og varicella-zoster-virus , som forårsaker vannkopper og helvetesild . De fleste mennesker i verden har blitt infisert med minst én av disse typene herpesvirus i løpet av livet . [136] Imidlertid kan disse latente virusene noen ganger være nyttige, faktisk kan tilstedeværelsen av viruset øke immuniteten mot noen patogene bakterier, som Yersinia pestis . [137]
Noen virus kan forårsake en permanent eller kronisk infeksjon, der virus fortsetter å replikere seg i kroppen, til tross for vertens forsvarsmekanismer. [138] Dette er vanlig ved hepatitt B -virus og hepatitt C-virusinfeksjoner . Personer med en kronisk infeksjon er kjent som bærere, da de fungerer som reservoarer for det smittsomme viruset. [139] I populasjoner med høy andel bærere sies sykdommen å være endemisk . [140]
Viral epidemiologi er en gren av medisinsk vitenskap som studerer overføring og kontroll av virusinfeksjoner hos mennesker. Virusoverføring kan være vertikal, det vil si fra mor til barn, eller horisontal, det vil si fra person til person. Eksempler på vertikal overføring inkluderer hepatitt B-virus og HIV, der babyen er født allerede infisert med viruset. [141] Et annet, sjeldnere eksempel er varicella zoster-viruset, som, selv om det forårsaker relativt milde infeksjoner hos mennesker, kan være dødelig for fosteret og nyfødte. [142]
Horisontal overføring er den vanligste mekanismen for spredning av viruset i populasjoner. Overføring kan skje når det er utveksling av kroppsvæsker under samleie , som i tilfellet med HIV; eller når det er kontaminering av infisert blod, for eksempel under en transfusjon eller med utveksling av nåler, som ofte finnes ved overføring av hepatitt C ; utveksling av spytt fra munnen, for eksempel, kan føre til overføring av Epstein-Barr-viruset ; norovirus kan overføres ved inntak av forurenset mat eller vann; influensaviruset ved innånding; mens vektorinsekter, som mygg , overfører visse virus som denguefeber til vertsorganismen . Hastigheten eller hastigheten på overføring av virusinfeksjoner avhenger av ulike faktorer, inkludert befolkningstetthet, antall mottakelige individer (dvs. de som ikke er immune), [143] kvaliteten på helsevesenet og tid. [144] Når et utbrudd av infeksjon forårsaker en uvanlig høy prosentandel av tilfeller i en befolkning eller region, kalles det en epidemi . Hvis utbruddene er vidt spredt rundt om på planeten, kalles det en pandemi . [145]
Epidemiologi forsøker å bryte kjeden av infeksjoner under epidemier av virussykdommer. [146] Kontrolltiltakene som brukes er basert på kunnskap om hvordan viruset overføres. Det er viktig å finne kilden eller kildene til utbruddet for å identifisere viruset, hvis overføringskjede noen ganger kan bli avbrutt takket være vaksiner . Når disse ikke er tilgjengelige, kan hygiene- og desinfeksjonstiltak være effektive virkemidler. Infiserte mennesker kan isoleres fra resten av samfunnet og de som har vært utsatt for viruset i karantene . [147] Tusenvis av storfe ble slaktet for å kontrollere munn- og klovsykeepidemien i Storbritannia i 2001 . [148] Virale infeksjoner hos mennesker og andre dyr har inkubasjonsperioder [149] som strekker seg fra noen få dager til uker og er kjent for de fleste infeksjoner. [149] Med en liten overlapping, ved slutten av inkubasjonsperioden er den smittsomme perioden, hvor et infisert individ kan overføre sykdommen. [149] Denne perioden er også kjent for mange virusinfeksjoner og kunnskap om varigheten av begge periodene er viktig for å kontrollere utbrudd. [150]
Indianerpopulasjoner ble desimert av smittsomme sykdommer, spesielt kopper , brakt av europeiske nybyggere til Amerika . Det er uklart hvor mange som døde av sykdommer importert av utlendinger etter ankomsten til Colombo , men estimater peker på mulige 70 % av urbefolkningen. til europeiske forsøk på å fortrenge og undertrykke den innfødte befolkningen. [151]
En pandemi er en verdensomspennende epidemi. Influensapandemien fra 1918 (kalt «den spanske influensa») som varte til 1919, ble katalogisert som en nivå 5-pandemi, forårsaket av et spesielt aggressivt og dødelig influensavirus. Ofrene var ofte friske unge voksne, i motsetning til de fleste influensautbrudd som hovedsakelig rammer pediatriske pasienter, eldre eller allerede svekkede individer. [152] Eldre estimater indikerer at denne pandemien har drept mellom 40 og 50 millioner mennesker, [153] mens nyere forskning tyder på at dette tallet kan nå opp til 100 millioner mennesker, 5 % av verdens befolkning. 1918. [154]
De fleste forskere mener at opprinnelsen til HIV -viruset er i Afrika sør for Sahara , og at det oppsto i løpet av det 20. århundre. [155] Spredningen regnes nå også som en pandemi, med anslagsvis 38,6 millioner infiserte over hele verden. [156] FNs AIDS/HIV-program (UNAIDS) og Verdens helseorganisasjon (WHO) anslår at AIDS (tilstanden forårsaket av HIV-viruset) har drept mer enn 25 millioner mennesker siden 5. juni 1981, da det ble anerkjent, gjør det til en av de mest ødeleggende epidemiene i historien. [157] I 2007 ble 2,7 millioner nye HIV-infeksjoner og 2 millioner dødsfall relatert til tilstanden anslått. [158]
Flere svært dødelige viruspatogener er medlemmer av Filoviridae . Filovirus er filamentlignende virus som forårsaker hemorragisk feber , og inkluderer ebolavirus og Marburgvirus . Marburg-viruset, oppdaget i 1967, vakte medieoppmerksomhet i april 2005 for et utbrudd i Angola . [159] Ebolavirussykdomsviruset har forårsaket periodiske utbrudd med høy dødelighet siden 1976 da det først ble identifisert. Det verste og siste var utbruddet av Vest-Afrika i 2014 . [160]
Virus har blitt etablert som årsak til kreft hos mennesker og andre arter. Imidlertid forekommer viruskreft bare hos et mindretall av infiserte mennesker (eller dyr). Kreftfremkallende virus kan være en del av flere familier av virus, inkludert RNA- og DNA-virus, og derfor er det ingen enkelt type " oncovirus " (et begrep som nå er foreldet). Utviklingen av neoplasma bestemmes av en rekke faktorer som immuniteten til verten [161] og dens mutasjoner . [162] Virus som antas å forårsake kreft hos mennesker inkluderer visse genotyper av humant papillomavirus , hepatitt B -virus , hepatitt C -virus , Epstein-Barr- virus , Kaposis sarkom- assosiert herpesvirus og det humane T-lymfotropiske viruset . Det sist oppdagede kreftfremkallende viruset hos mennesker er et polyomavirus ( Merkelcellepolyomavirus ) som forårsaker de fleste tilfeller av en sjelden form for hudkreft , kalt Merkelcellekarsinom . [163]
Hepatittvirus kan utvikle en kronisk virusinfeksjon som kan føre til leverkreft . [164] [165] Human T-lymfotropisk virusinfeksjon kan føre til tropisk spastisk paraparese og voksen T-celleleukemi . [166] Humane papillomavirus er en etablert årsak til livmorhals- , hud- , anus- og peniskreft . [167] Humant herpesvirus 8 forårsaker Kaposis sarkom , mens Epstein-Barr-viruset forårsaker Burkitts lymfom , Hodgkins lymfom , B -celle lymfoproliferative lidelser og nasofaryngealt karsinom . [168] Merkel celle polyomavirus er nært beslektet med Simian virus 40 og mus polyomavirus; begge har blitt brukt som dyremodeller for kreftvirus i over 50 år. [169]
Kroppens første forsvarslinje mot virus er det medfødte immunsystemet . Dette inkluderer celler og andre mekanismer som ikke spesifikt forsvarer verten mot infeksjon. Dette betyr at cellene i det medfødte systemet gjenkjenner og reagerer på patogener på en generisk måte, men i motsetning til det adaptive immunsystemet gir det ikke varig immunitet. [170]
RNA-interferens er et viktig medfødt forsvar mot virus. [171] Mange virus bruker en replikasjonsstrategi som involverer dobbelttrådet RNA (dsRNA). Når et virus infiserer en celle, frigjør det RNA-molekylet som umiddelbart binder seg til et proteinkompleks kalt ribonuklease III som kutter RNA i mindre biter. En biokjemisk vei, RISC -komplekset , aktiveres for å sikre celleoverlevelse ved å bryte ned viralt mRNA. Rotavirus har utviklet seg for å unngå denne forsvarsmekanismen ved ikke å kutte fullstendig RNA i cellen, men ved å frigjøre en ny produksjon av mRNA gjennom porene i den indre kapsiden av partikkelen. På denne måten forblir deres genomiske dsRNA beskyttet i virionkjernen. [172] [173]
Når et virveldyrs adaptive immunsystem møter et virus, produserer det spesifikke antistoffer som binder seg til det og er ofte i stand til å gjøre det ikke-smittsomt. Dette kalles humoral immunitet . To typer antistoffer er viktige. Førstnevnte, kalt IgM , er svært effektive for å nøytralisere virus, men produseres av cellene i immunsystemet i bare noen få uker. Sistnevnte, kalt IgG , produseres kontinuerlig. Tilstedeværelsen av IgM i vertens blod brukes til å diagnostisere tilstedeværelsen av en akutt infeksjon, mens IgG indikerer en tidligere infeksjon. [174] Når immunitetstester utføres, måles IgG-antistoffer. [175]
Antistoffer kan fortsette å være en effektiv forsvarsmekanisme selv etter at virus har klart å komme inn i vertscellen. Et protein som finnes i celler, kalt TRIM21 , er i stand til å binde seg til antistoffer på overflaten av viruspartikkelen. Dette utløser den påfølgende ødeleggelsen av viruset av enzymene i cellens proteasom . [176]
Et andre forsvar av virveldyr mot virus kalles cellemediert immunitet og involverer immunceller kjent som T-celler . Celler i kroppen viser hele tiden korte biter av proteinene sine på celleoverflaten, og hvis en T-celle gjenkjenner et mistenkelig virusfragment, blir vertscellen ødelagt av drepende T -celler og virusspesifikke T-celler formerer seg. Celler, som makrofager , er spesialister på denne antigenpresentasjonen. [177] Interferonproduksjon er også en viktig vertsforsvarsmekanisme . Dette er et hormon som produseres av kroppen når det er tilstedeværelse av virus. Dens rolle i immunsystemet er kompleks; men det setter i hovedsak en stopper for reproduksjonen av viruset, og dreper den infiserte cellen og dens naboer. [178]
Ikke alle virusinfeksjoner gir en beskyttende immunrespons på denne måten. HIV unngår immunsystemet ved kontinuerlig å endre aminosyresekvensen til proteiner på virionens overflate. Denne teknikken er kjent som "escape mutation". Disse virusene vedvarer i å unnvike immunsystemet, gjennom sekvestrering og blokkering av antigenpresentasjon, resistens mot cytokiner , unndragelse av naturlige drepercelleaktiviteter , unngåelse av apoptose og antigenerstatning . [179] Andre virus, kalt nevrotropiske virus , utnytter nevrale spredning der immunsystemet kanskje ikke kan nå dem.
Fordi virus bruker levedyktige metabolske veier i vertsceller for å replikere, er de vanskelige å eliminere uten å bruke medisiner som forårsaker toksiske effekter på vertsceller. De mest effektive medisinske tilnærmingene for virussykdommer er vaksinasjoner , som kan gi immunitet mot infeksjoner, og antivirale legemidler som selektivt forstyrrer replikasjonen av viruset.
VaksinerVaksinasjon er en billig og effektiv måte å forebygge virusinfeksjoner på. Vaksiner ble brukt for å forhindre virusinfeksjoner lenge før oppdagelsen av ekte virus. Bruken av dem har ført til et drastisk fall i sykelighet (bli syk) og dødelighet (død) assosiert med virusinfeksjoner som polio , meslinger , kusma og røde hunder . [180] Koppeinfeksjoner er utryddet. [181] Til dags dato, 2015, er vaksiner tilgjengelig for over tretten virusinfeksjoner som påvirker mennesker, [182] og mange flere blir brukt for å forhindre virusinfeksjoner hos dyr. [183]
Vaksiner kan bestå av levende, svekkede eller døde virus, eller virale proteiner ( antigener ). [184] Levende vaksineformer inneholder svekkede virus som ikke forårsaker sykdom, men som likevel gir immunitet. Levende vaksiner kan være farlige når de gis til personer med svak immunitet (immunkompromitterte individer), da det svekkede viruset hos disse personene kan forårsake den opprinnelige sykdommen. [185] Bioteknologi og genteknologiske teknikker brukes til produksjon av underenhetsvaksiner . Disse vaksinene bruker kun proteinene fra viruskapsiden. Hepatitt B-vaksinen er et eksempel på denne typen vaksine. [186] Underenhetsvaksiner er trygge for immunkompromitterte pasienter fordi de ikke kan forårsake sykdom på noen måte. [187] Gulfebervirusvaksinen , en levende svekket stamme kalt 17D, er uten tvil den sikreste og mest effektive vaksinen som noen gang er produsert . [188]
Antivirale legemidlerAntivirale medikamenter er ofte nukleosidanaloger (falske DNA-konstruksjoner), som virus feilaktig inkorporerer i genomene sine under replikasjon. Livssyklusen til viruset er blokkert fordi det nylig syntetiserte DNA er inaktivt. Faktisk mangler disse analogene hydroksylgruppene , som sammen med fosforatomene kobles sammen for å danne den sterke "ryggraden" i DNA-molekylet. Dette kalles å bryte DNA-kjeden. [189] Eksempler på nukleosidanaloger er acyclovir for herpes simplex-virus og lamivudin for HIV- og hepatitt B-infeksjoner. Aciclovir er et av de eldste og hyppigst foreskrevne antivirale legemidlene. [190] Andre antivirale legemidler retter seg mot ulike stadier av virusets livssyklus. HIV er avhengig av et proteolytisk enzym kalt HIV-1-protease for å gjøre det fullt smittsomt. Det er en stor gruppe medikamenter kalt proteasehemmere som inaktiverer dette enzymet.
Hepatitt C er forårsaket av et RNA-virus. Hos 80 % av smittede er sykdommen kronisk og i mangel av behandling forblir de smittet hele livet. Imidlertid er det nå en effektiv behandling som bruker en nukleosidanalog, ribavirin , kombinert med interferon . [191] Behandling av kroniske hepatitt B-virusbærere ved å bruke en lignende strategi ved bruk av lamivudin . [192]
Virus infiserer alt cellulært liv, selv om hver art har sitt eget spesifikke utvalg av virus som er i stand til å infisere det. [193] Noen virus, kalt satellitter, kan bare replikere inne i celler som allerede er infisert med et annet virus. [52]
Virus er viktige for husdyrpatogener. Sykdommer som munn- og klovsyke og blåtunge er forårsaket av virus. [194] Selskapsdyr som katter , hunder og hester er mottakelige for alvorlige virusinfeksjoner hvis de ikke er vaksinert. Canine Parvovirus er forårsaket av et lite DNA-virus og infeksjoner er ofte dødelige hos valper. [195] Som alle virvelløse dyr er bier mottakelige for mange virusinfeksjoner. [196] Imidlertid eksisterer de fleste virus samtidig med verten og forårsaker ingen tegn eller symptomer på sykdom. [21]
Det finnes mange typer virus som er i stand til å infisere planteverdenen, men som oftest forårsaker de bare tap av fruktproduksjon og derfor er det ikke økonomisk fordelaktig å prøve å kontrollere dem. Virus sprer seg fra plante til plante gjennom organismer, kjent som vektorer. Disse er vanligvis insekter , men noen sopp , nematodeormer og encellede organismer har også vist seg å være vektorer. Når smittevern i avlinger anses som økonomisk, for eksempel for frukttrær, fokuseres innsatsen på å drepe vektorene og fjerne alternative verter, som for eksempel ugress. [197] Plantevirus kan ikke infisere mennesker og andre dyr da de bare kan formere seg i en plantecelle. [198]
Planter har omfattende forsvarsmekanismer mot virus. En av de mest effektive er tilstedeværelsen av det såkalte resistensgenet (R). Hvert R-gen gir resistens mot et bestemt virus ved å aktivere lokaliserte områder med celledød rundt den infiserte cellen, som ofte kan sees med det blotte øye som store flekker. dette gjør det mulig å stoppe spredningen av infeksjonen. [199] RNA-interferens er også et effektivt planteforsvar. [200] Når de er infisert, produserer planter ofte naturlige desinfeksjonsmidler som dreper virus, slik som salisylsyre , nitrogenoksid og reaktive oksygenarter . [201]
Planteviruspartikler har viktige anvendelser innen både bioteknologi og nanoteknologi . I de fleste plantevirus fremstår kapsider som enkle, robuste strukturer som kan produseres i store mengder, enten ved infeksjon av planter eller ved ekspresjon i en rekke heterologe systemer. Planteviruspartikler kan modifiseres genetisk og kjemisk for å innkapsle fremmed materiale og kan inkorporeres i supramolekylære strukturer for bruk i bioteknologi. [202]
Bakteriofager ( også kalt fager) er en vanlig og mangfoldig gruppe virus og er den mest tallrike formen for biologiske enheter som finnes i vannmiljøer. Det er opptil ti ganger flere av disse virusene i havene enn det er bakterier, [203] og når 250 000 000 bakteriofager per milliliter sjøvann. [204] Disse virusene infiserer spesifikke bakterier ved å binde seg til overflatereseptorer og deretter gå inn i cellen. I løpet av kort tid, i noen tilfeller noen få minutter, begynner den bakterielle polymerasen å oversette det virale mRNA til proteiner. Disse proteinene blir både nye virioner i cellen som hjelper til med å sette sammen nye virioner, så vel som proteiner involvert i cellelyse. Virale enzymer hjelper til med nedbrytningen av cellemembranen, og i tilfelle av fag T4, i løpet av litt over tjue minutter etter infeksjon, kan over tre hundre fager frigjøres. [205]
Store bakterier forsvarer seg mot bakteriofager ved å produsere enzymer som ødelegger fremmed DNA. Disse enzymene, kalt restriksjonsendonukleaser , kutter virus-DNA som bakteriofager injiserer i bakterieceller. [206] Bakterier inneholder også et system som bruker CRISPR -sekvenser og som bevarer fragmenter av genomet til virus som har kommet i kontakt med det tidligere; dette lar den blokkere virusreplikasjon gjennom RNA-interferens . [207] [208] Dette genetiske systemet gir bakterier ervervet immunitet mot infeksjon.
Noen virus replikerer i archaea : disse er dobbelttrådet DNA-virus med uvanlige og noen ganger unike former. [7] [81] De har blitt studert mer detaljert i termofile archaea, spesielt ordenene Sulfolobales og Thermoproteales . [209] Forsvar mot disse virusene kan involvere RNA-interferens fra repeterende DNA-sekvenser i arkeale genomer som påvirker genene til virusene. [210] [211]
En teskje sjøvann inneholder omtrent en million virus. [212] De fleste av disse er bakteriofager, som er ufarlige for planter og dyr, men som faktisk er avgjørende for å regulere saltvanns- og ferskvannsøkosystemer . [213] De infiserer og ødelegger bakterier i akvatiske mikrobielle samfunn og er den viktigste karbongjenvinningsmekanismen i det marine miljøet. Organiske molekyler frigjort av døde bakterieceller stimulerer veksten av nye bakterier og alger . [214] viral aktivitet kan også bidra til den biologiske pumpen , prosessen der karbon lagres dypt i havet. [215]
Mikroorganismer utgjør mer enn 90 % av marin biomasse. Virus anslås å drepe rundt 20 % av denne biomassen hver dag, og det er 15 ganger flere virus i havene enn bakterier og arkea. Virus er hovedagentene som er ansvarlige for den raske ødeleggelsen av skadelige algeoppblomstringer , [216] som ofte dreper andre former for marint liv. [217] Antall virus i havene avtar jo lenger du beveger deg ut i havet og jo dypere du dykker, hvor færre vertsorganismer finnes. [215]
Som enhver organisme er sjøpattedyr mottakelige for virusinfeksjoner. I 1988 og 2002 ble tusenvis av seler drept i Europa av phocine distemper -viruset . [218] Mange andre virus, inkludert calicivirus , herpesvirus , adenovirus og parvovirus , sirkulerer i sjøpattedyrpopulasjoner. [215]
Indiske forskere antyder at Ganges River- vann kan være en nyttig COVID-19- terapi . [219] Faktisk er dette rikt på bakteriofager (det antas å inneholde rundt 1 100 typer bakteriofager) [220] som er tilstede i det på grunn av den gradvise oppløsningen av Himalayas permafrost i elven. [221] Videre viser vannet i denne elven en høy alkalitet og noen av dens selvrensende egenskaper bidrar til veksten av bakteriofager. [220]
Den klimatiske oppvarmingen observert i Sibir og Arktis og tiningen av permafrost kan føre til frigjøring av patogener fanget i permafrosten i atmosfæren, som representerer en mulig mekanisme for oppkomsten av virus som kan dukke opp i fremtiden som en konsekvens av utviklingen av global oppvarming av planeten vår i tiårene som kommer. [222]
Virus er et viktig naturlig middel for å overføre gener mellom ulike arter , øke genetisk mangfold og evolusjonsdrift. [9] Virus antas å ha spilt en sentral rolle i tidlig evolusjon, før det var diversifisering av bakterier, Archaea og eukaryoter, da den siste universelle felles stamfaren var på jorden . [223] Virus er fortsatt en av de største reservene av uutforsket genetisk mangfold på jorden. [215]
Virus er viktige for studiet av molekylær og cellulær biologi, da de gir enkle systemer som kan brukes til å manipulere og analysere cellefunksjoner. [224] Studiet og bruken av virus har gitt verdifull informasjon om aspekter ved cellebiologi. [225] For eksempel har virus vært nyttige for studiet av genetikk og har bidratt til å forstå de grunnleggende mekanismene for molekylær genetikk, som DNA-replikasjon , transkripsjon , RNA-behandling, translasjon , transport av membran og immunologi .
Genetikere bruker ofte virus som vektorer for å introdusere gener i celler de studerer. Dette er nyttig for å få cellen til å produsere et fremmed stoff eller for å studere effekten av å introdusere et nytt gen i genomet. Tilsvarende bruker viroterapi virus som vektorer for behandling av ulike sykdommer da de er i stand til å direkte påvirke celler på DNA. Denne teknikken ser veldig lovende ut i kreftbehandling og genterapi . Europeiske og østlige forskere har brukt fagterapi som et alternativ til antibiotika i noen tid, og interessen for denne tilnærmingen øker på grunn av den høye antibiotikaresistensen som finnes i noen patogene bakterier. [226] Ekspresjonen av heterologe virusproteiner er grunnlaget for flere produksjonsprosesser som brukes til produksjon av ulike proteiner, slik som vaksiner og antistoffer . Industrielle prosesser har nylig blitt utviklet ved bruk av virale vektorer og en rekke farmasøytiske proteiner er under kliniske og prekliniske studier. [227]
ViroterapiViroterapi er bruk av genmodifiserte virus for behandling av sykdommer . [228] Virus modifiseres av forskere til å angripe og reprodusere i kreftceller ved å ødelegge dem, men ikke infisere friske celler. Talimogene laherparepvec (T-VEC), for eksempel, er et herpes simplex-virus som et gen, som brukes til å replikere i friske celler, har blitt eliminert og erstattet med et humant gen (GM-CSF) som stimulerer immunresponsen. Når dette viruset infiserer kreftceller, ødelegger det dem og tilstedeværelsen av GM-CSF-genet tiltrekker seg dendrittiske celler fra det omkringliggende vevet i kroppen. Dendritiske celler behandler døde kreftceller og deres komponenter "signaleres" til andre celler i immunsystemet. [229] Når kliniske studier er fullført, forventes dette viruset å få godkjenning for behandling av melanom , en hudkreft . [230] Virus som har blitt omprogrammert til å drepe kreftceller kalles onkolytiske virus . [231]
Nåværende forskning innen nanoteknologi lover å gjøre bruken av virus svært allsidig. Fra en materialforskers synspunkt kan virus betraktes som organiske nanopartikler. Overflaten deres er i stand til å bære spesifikke verktøy rettet mot å overvinne barrierene til vertscellene deres. Størrelsen og formen på viruset, og antallet og arten av funksjonelle grupper på overflaten deres, er nøyaktig definert. En spesiell kvalitet ved virus er at de kan tilpasses ved direkte evolusjon. De kraftige teknikkene utviklet av biovitenskapene er i ferd med å bli grunnlaget for ingeniørmessige tilnærminger til nanomaterialer og åpner for et bredt spekter av bruksområder som går langt utover biologi og medisin . [232]
På grunn av deres veldefinerte størrelse, form og kjemiske struktur, har virus blitt brukt som modeller for organisering av materialer på nanoskala. Nylige eksempler inkluderer arbeid ved United States Naval Research Laboratory i Washington , med partikler av cowpea mosaic virus (CPMV) som brukes til å forsterke signaler fra DNA-mikroarray- baserte sensorer . I dette eksemplet skiller viruspartiklene de fluorescerende fargestoffene som brukes til signalering for å forhindre dannelsen av ikke-fluorescerende dimerer som fungerer som dempere . [233] Et annet eksempel er bruken av et CPMV-brødbrett som en nanoskala for molekylær elektronikk. [234]
Mange virus kan syntetiseres "fra bunnen av", og det første syntetiske viruset ble opprettet i 2002. [235] Det er faktisk ikke viruset som syntetiseres, men snarere dets DNA-genom (i tilfelle av et DNA-virus) eller en kopi cDNA av genomet (i tilfelle RNA-virus). For mange familier av syntetiske virus er DNA eller RNA (når en gang enzymatisk konvertert tilbake fra syntetisk cDNA) smittsomt når de introduseres i en celle, det vil si at de inneholder all informasjonen som trengs for å produsere nye virus. Denne teknologien brukes nå til å studere nye vaksinasjonsstrategier. [236] Hele genomsekvensene til 3843 forskjellige virus er offentlig tilgjengelige i en online database vedlikeholdt av National Institutes of Health . [237]
Evnen til virus til å forårsake ødeleggende epidemier i menneskelige samfunn har ført til bekymring for at de kan bli brukt som våpen for biologisk krigføring . Ytterligere bekymring ble reist av den vellykkede gjenskapingen av det farlige spanskesykeviruset i et laboratorium. [238] Koppeviruset har desimert mange populasjoner gjennom historien, før det ble eliminert. Det er bare to sentre i verden som er autorisert av WHO til å opprettholde lagre av dette viruset: VECTOR Institute i Russland og Center for Disease Control and Prevention i USA. [239] Frykten for at det kan brukes som et våpen kan ikke være helt ubegrunnet. [239] Fordi koppevaksinen noen ganger har vist seg å ha alvorlige bivirkninger , administreres den ikke lenger rutinemessig rundt om i verden, slik at mye av den moderne menneskelige befolkningen nesten ikke har noe forsvar mot viruset og vil derfor være sårbar for gjenopptreden. [239]