Aula 10 replicação viral - texto

Carlos Maurício G. - e-mail: [email protected]

UNIPLI - Medicina Veterinária - 2009 Página 1

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1. Parasitismo Intracelular: Dentre as características essenciais dos vírus, se destaca a propriedade de somente serem aptos a se multiplicar no interior de células vivas, demonstrando estreitas relações de parasitismo estabelecidas na evolução das viroses e doenças virais. Devido à ausência de um sistema enzimático que permita multiplicação autônoma, a multiplicação viral ocorre somente em células. A célula hospedeira deve fornecer energia e mecanismos de síntese, assim como precursores de baixo peso molecular (aminoácidos, nucleotídeos, entre outros) para síntese de proteínas e ácidos nucléicos virais. O ácido nucléico viral é responsável pela especificidade genética na codificação organizada de macromoléculas virais. Na formação da progênie viral, os produtos são sintetizados separadamente, para depois se organizarem, formando a partícula viral infecciosa.

As principais etapas na replicação viral são as mesmas para todos os vírus. A célula atua como fábrica, fornecendo substratos, energia e maquinaria necessária para síntese de proteínas virais e replicação pelo genoma. Processos não-fornecidos pela célula devem ser codificados pelo genoma do vírus. A maneira pelo qual os vírus realizam estas etapas e superam as limitações bioquímicas da célula é determinada pela estrutura do genoma e pelo vírion.

Embora os vírus sejam diferentes no número de genes que contém, o genoma viral deve codificar para três tipos de funções que são expressas pelas proteínas que sintetizam. Estas funções são: a) alterar a estrutura e/ou função da célula infectada; b) promover a replicação do genoma viral; c) promover a formação de partículas virais.

A infecção viral leva à produção de centenas ou milhares de novas partículas virais por célula infectada. A essência deste tipo de multiplicação viral é dupla: replicação do ácido nucléico viral e produção de capsídeos para conter esse ácido nucléico.

2. Etapas na Replicação Viral: O processo de replicação viral no ciclo lítico ou infecção produtiva pode ser dividido didaticamente em várias fases: adsorção, penetração, síntese dos componentes virais, maturação e liberação. Durante a fase inicial de infecção o vírus deve reconhecer uma célula alvo apropriada; fixar-se à célula; penetrar na membrana plasmática e ser internalizado pela célula; a seguir deve liberar seu genoma no citoplasma; ou quando necessário, liberar o genoma no núcleo celular. A fase tardia começa com a replicação do genoma e síntese macromolecular viral, prosseguindo através da organização do vírus e sua liberação.

2.1. Reconhecimento da célula-alvo e Adsorção Corresponde ao primeiro estágio da replicação, e parece estar condicionado à presença de receptores celulares, em geral de natureza glicoprotéica, e estruturas existentes na superfície viral (proteínas de ligação do capsídeo ou envoltório viral, espículas ou fibras). A adsorção consiste na ligação específica da glicoproteína viral ao receptor celular da célula hospedeira. Esta interação ocorre através de reconhecimento mútuo, estabilizado por cátions divalentes que formam pontes eletrostáticas entre proteínas interatuantes, carregadas negativamente no pH fisiológico. A susceptibilidade da célula é limitada à presença de receptores, que não deve ser confundida com permissividade, pois algumas células podem não ser suscetíveis ao vírus naturalmente por falta de receptores, mas poderão produzir a progênie viral, caso seja introduzido o genoma do vírus nessa célula. Durante a etapa inicial podemos caracterizar a partir de uma visão geral, o processo de adsorção, onde os vírions colidem ao acaso com sítios na superfície celular e aproximadamente uma em cada 103ou 104 colisões levam à união complementar entre sítio celular (receptor) e proteína viral (anti-receptor).

2.2. Penetração Os mecanismos de penetração dependem da estrutura do vírion e do tipo de célula afetada. A maioria dos vírus desnudos

penetra na célula por endocitose mediada por receptores, mecanismo comum à entrada de muitos hormônios e toxinas na célula; ou por viropexia, que corresponde a translocação do vírus inteiro através da membrana citoplasmática (penetração direta). Os vírus envelopados podem se fundir com as membranas celulares para liberar o nucleocapsídeo ou genoma diretamente no citoplasma. Em relação aos vírus que se replicam em bactérias (bacteriófagos), após adsorção, o genoma viral é injetado diretamente no protoplasma bacteriano, sem passagem do capsídeo viral através da parede celular bacteriana. Os processos de penetração geralmente estão condicionados a um pH



ótimo para a fusão ou internalização por endocitose e de temperaturas próximas a 37°C. Os vírus envelopados e não-envelopados encontram problemas físico-químicos diferentes durante sua penetração na célula e por isso, utilizam mecanismos diferentes. Existem quatro mecanismos básicos pelos quais os vírus podem penetrar nas células:

1) Injeção do ácido nucléico: muitos bacteriófagos desenvolveram um mecanismo através do qual são capazes de injetar seu ácido nucléico através da parede celular da bactéria, bem como da membrana citoplasmática contígua. 2) Endocitose: outro mecanismo conhecido, através do qual estruturas protéicas relativamente grandes, como vírions, podem entrar na célula, é a endocitose mediada por receptor. Este processo é semelhante à fagocitose; os vírus, após sua ligação ao receptor, são englobados pela membrana plasmática, ficando no interior de vesículas nas células. Estas vesículas podem fundir com endossomas, para posterior digestão do capsídeo viral, liberando o ácido nucléico. 3) Fusão do envelope viral: um terceiro mecanismo, que ocorre para vírus envelopados, é resultante do processo de fusão do envelope viral com a membrana celular, liberando o nucleocapsídeo no interior da célula. Muito vírus contém em seu envelope, proteínas de fusão, ativadas quando ocorre ligação do vírus ao receptor celular. Pode haver ainda uma combinação destes dois últimos mecanismos, de forma que os vírus envelopados penetrem por endocitose e, uma vez dentro dos vacúolos, o envelope viral sofra um processo de fusão com a membrana do vacúolo. 4) Viropexia (translocação): um outro processo, que foi observado, especialmente com o poliovírus, envolve a passagem do vírus através da membrana celular, sem presença do mecanismo de endocitose. Após ligação do poliovírus ao receptor, uma das proteínas do capsídeo é liberada, expondo resíduos hidrofóbicos, que normalmente estão no interior do vírus. A interação destes resíduos com a membrana pode gerar o aparecimento de poros, através do qual o RNA viral é introduzido no citoplasma da célula. A penetração dos vírus de plantas nas células pode ser feita através de vetores, que colocam os vírus diretamente dentro das células, ou por mecanismos de endocitose, através da membrana celular.

2.3. Desnudamento ou liberação Consiste na remoção do capsídeo com exposição do genoma viral e só ocorre quando o vírion penetra inteiro na célula, geralmente na forma de complexo nucleoprotéico. A desagregação das subunidades protéicas do capsídeo pode ocorrer espontaneamente ou por ação de enzimas digestivas dos lisossomos celulares. Após o desnudamento, o vírion deixa de existir como entidade infecciosa. Para os vírus que são replicados no citoplasma, como por exemplo, o poliovirus, o genoma é simplesmente liberado dentro da célula. Outros não são desnudados totalmente, pois o genoma só é expresso se estiver parcialmente revestido (reovirus); outros ainda (poxvirus) são desnudados em dois estágios: o primeiro com participação de enzimas celulares e o segundo com enzimas virais.



Para os vírus replicados no núcleo, por exemplo, herpesvirus, o genoma, freqüentemente associado à nucleoproteína, deve ser transportado através da membrana nuclear. Nas células infectadas com herpes, o capsídeo é transportado ao longo do citoesqueleto citoplasmático, desde o sítio de entrada até o poro nuclear. Neste momento, o DNA viral é liberado no interior do núcleo. O capsídeo vazio se desintegra. Ocorre dissolução do envoltório protéico da partícula viral pela ação de enzimas celulares liberadas pelos lisossomos, com exposição do ácido nucléico viral. Período de eclipse - fase iniciada logo após a penetração varia de acordo com o vírus, não sendo detectada nenhuma partícula viral, fora ou dentro da célula.

2.4. Transcrição Mecanismo pelo qual a informação específica codificada na cadeia de ácido nucléico, é transferida para o RNA mensageiro (RNAm). Essa fase é caracterizada pela síntese de RNA-mensageiro. Nesse ponto ocorre uma variação no que se refere ao tipo de ácido nucléico viral. Por convenção, define-se o RNA mensageiro (RNAm) viral como RNA positivo (+RNA) e sua fita complementar como RNA negativo (-RNA). Os vírus são agrupados em seis classes, de acordo com o tipo de genoma viral e sua relação com o RNAm. Classe I - constituída por vírus DNA de fita dupla (dsDNA), como por exemplo, os vírus de vertebrados das famílias Papovaviridae, Adenoviridae e Herpesviridae, alguns vírus de insetos, como os baculovirus e os vírus de algas eucarióticas (phycodnavirus). Estes vírus multiplicam-se no núcleo da célula hospedeira, utilizando para isto enzimas transcricionais, como RNA polimerase II (pol II) celular, aí encontrada. Outro grupo de vírus animais DNA de fita dupla, da Família Poxviridae, se multiplicam no citoplasma da célula e, portanto, não tem acesso à pol II. Estes vírus utilizam uma transcriptase viral presente na partícula, na forma de proteína estrutural. A maioria dos bacteriófagos também pertence à classe I, sendo transcritos da mesma forma que o DNA bacteriano. Classe II - corresponde aos vírus DNA de fita simples (ssDNA), como os parvovirus animais e os geminivirus de plantas. A maioria dos vírus da classe II contém ssDNA de polaridade positiva, a mesma, portanto, que o RNAm. Ao penetrar no núcleo, as enzimas de reparo de DNA celular sintetizam a fita complementar, transformando o genoma em dsDNA. O DNA de fita dupla é então, transcrito pelas enzimas celulares. Classe III - corresponde a vírus RNA de dupla fita (dsRNA), como os reovirus de plantas, insetos e animais, os birnavirus de vertebrados e invertebrados. Para estes vírus, a fita negativa de RNA funciona como molde para a síntese do RNAm. Como as células não possuem enzimas para transcrição de RNA a partir de RNA, os vírus deste grupo precisam introduzir na célula a enzima necessária para a transcrição (RNA polimerase-RNA dependente), proteína estrutural destes vírus. Classe IV - contém RNA de fita simples (ssRNA), como os picornavirus, togavirus, flavivirus e coronavirus de animais, a maioria dos vírus de plantas e os bacteriófagos da família Leviviridae são também chamados vírus RNA-positivos, porque o RNA do genoma tem a mesma polaridade do RNAm. O genoma destes vírus funciona como RNAm e logo que o vírus penetra na célula, este se liga ao ribossomo sendo traduzido em proteínas. Desta forma, não é necessária a penetração na célula de enzimas da partícula viral: estas enzimas são sintetizadas logo que o ácido nucléico penetra na célula, atuando em seguida na transcrição de novos RNA. Classe V - vírus RNA de fita negativa (-ssRNA), como os vírus das famílias Orthomyxoviridae, Paramyxoviridae, Arenaviridae e Filoviridae, de vertebrados e os vírus das famílias Bunyaviridae e Rhabdoviridae, de plantas, invertebrados e vertebrados. Para esses, o RNA viral é complementar ao RNAm. Assim, o vírion já contém o molde para a síntese do RNAm. Da mesma forma que a classe III, os vírus contam, na partícula, com enzimas que transcrevem o RNA. Classe VI - também conhecidos como retrovirus, membros da família Retroviridae. São vírus com mecanismo de transcrição menos comum, pois o RNA viral, de polaridade positiva, é transcrito pela enzima viral estrutural, a transcriptase reversa, para DNA viral. Inicialmente, se forma um híbrido RNA/DNA. A atividade de RNase do complexo enzimático transcriptase reversa degrada o RNA, e o DNA é duplicado por este mesmo complexo enzimático. O DNA de fita dupla complementar ao genoma viral é incorporado ao genoma celular utilizando a integrase viral e funciona então como molde para a transcrição do RNAm. De forma geral consideramos que, exceto para poxvirus, a transcrição dos vírus DNA, tanto de fita dupla como de fita única, ocorre no núcleo. Durante a replicação da maioria dos vírus DNA, apenas uma parte do genoma é transcrito em mensageiros precoces, antes que a replicação tenha começado, sendo que, após a síntese de DNA, o restante sofre transcrição em mensageiros tardios. A regulagem é executada pelas proteínas presentes nos vírions ou, é especificada por genes virais ou celulares. Com os vírus RNA a transcrição ocorre geralmente no citoplasma, exceto para os ortomixovirus. Não existe nenhuma diferenciação entre mensageiros precoces e tardios, em nenhuma das classes precedentes, com a possível exceção do reovirus. Várias classes de vírus usam diferentes vias para sintetizar o RNAm dependendo da estrutura do ácido nucléico viral.



Os vírus com polaridade negativa (rabdovirus, ortomixovirus e paramixovirus) carregam RNA polimerase para sintetizar o RNAm. No caso do poliovirus, que possui ácido nucléico de polaridade positiva, seu próprio RNA serve como RNAm. Em vírus que possuem genomas fragmentados, cada segmento dá origem a seu próprio RNAm. Os retrovirus são os únicos cujos genomas são transcritos primeiro em DNA, por uma transcriptase reversa presente no vírion, a seguir, o RNAm funcional é transcrito a partir deste DNA. As enzimas que catalisam a transcrição de uma haste de DNA ou RNA em RNA-mensageiro, são denominadas transcriptases, (DNA-dependente RNA polimerase e RNA-dependente RNA polimerase). No vírion de Retroviridae (AIDS) existe uma RNA-dependente DNA polimerase, denominada transcriptase reversa porque ao contrário das primeiras, transcreve RNA em DNA.

O RNAm é sintetizado a partir de nucleotídeos, freqüentemente empregando enzimas replicadoras codificadas pelo próprio ácido nucléico do vírion. Muitos vírus animais carregam na sua estrutura uma polimerase de ácido nucléico. Em alguns casos, a necessidade disto é evidente: as células não infectadas não expressam RNApolimerase-RNAdependente ou DNApolimerase-RNAdependente, em quantidades suficientes para que o vírus possa utilizar ao iniciar seu ciclo infeccioso. Assim, os vírus das classes III, V e VI, juntamente com o RNA infectivo, devem fazer penetrar na célula as moléculas de polimerase necessárias. No caso dos vírus RNA- (classe V) e RNA+ (classe III) essas polimerases são transcriptases RNA dependentes que sintetizam o primeiro RNAm. Após esta síntese, novas moléculas de polimerase, codificadas pelo vírus, podem acelerar o processo de transcrição. Para os retrovírus, a polimerase é uma DNApolimerase (transcriptase reversa) que transcreve ao menos uma molécula de DNA a partir do RNA. Os vírus do grupo Pox também possuem uma polimerase viral, pois são vírus DNA que se multiplicam no citoplasma. Assim, devem possuir sua própria RNApolimerase-DNAdependende, para suprir sua necessidade, já que a enzima celular equivalente não é encontrada fora do núcleo da célula.

2.5. Tradução O processo de tradução do RNA-mensageiro viral pode ocorrer no citoplasma (DNA bicatenário; RNA mono e bicatenário) ou no núcleo (DNA monocatenário). Ácidos nucléicos virais são poligênicos, isto é, codificam para muitas proteínas. A situação mais simples seria um ácido nucléico codificando apenas duas proteínas, uma polimerase para replicação do ácido nucléico, e uma proteína do capsídeo. A maioria dos ácidos nucléicos virais contém mais mensagens que isto, o número de proteínas formadas variando de acordo com o tamanho do ácido nucléico. As proteínas virais são sintetizadas em uma ordem temporal. Em geral, as primeiras proteínas sintetizadas são não-estruturais (são enzimas que participam da multiplicação viral, especialmente na síntese do ácido nucléico viral, não sendo incorporadas à partícula viral). Estas proteínas precoces são, em geral, enzimas que atuam na própria transcrição e replicação do ácido nucléico viral ou fatores que atuam sobre o metabolismo celular, modificando-o para favorecer a síntese de componentes virais. Em fase posterior ou tardia, são sintetizadas as proteínas estruturais, que formam a partícula viral, fazendo parte do capsídeo, assim como do envoltório viral. Dois tipos distintos de síntese de proteínas virais têm sido observados. Um, comum, leva à produção de espécies individuais de proteínas virais em seqüência temporal. Para alguns vírus, como os poliovírus, um mecanismo diferente é utilizado: o ácido nucléico inteiro é traduzido, produzindo uma poliproteína, isto é, uma cadeia única de polipeptídeos, cujo peso molecular pode alcançar 200.000 dáltons. Esta cadeia polipeptídica é em seguida digerida por enzimas proteolíticas em pontos específicos, para fornecer enzimas e proteínas estruturais.



2.6. Replicação A replicação do genoma de cada classe de vírus é tão especializada quanto sua transcrição. A replicação se refere à formação, a

partir do genoma viral, de novos genomas que serão associados às proteínas virais. Pode ocorrer no citoplasma ou no núcleo, sendo independente da síntese do genoma celular, com exceções. Normalmente começa algum tempo após a transcrição e pode continuar por um tempo curto, gerando um “pool” de moléculas que são mais tarde integradas na progênie viral. Na maioria dos vírus, a replicação do genoma é mediada por enzimas codificadas pelo genoma viral. Estas enzimas virais, produzidas na célula hospedeira durante a síntese precoce, são mais eficientes que as enzimas celulares na replicação do genoma viral. Recentemente, foram descritos os eventos moleculares que ocorrem durante a replicação dos chamados retrovirus DNA, como os da família Hepadnaviridae (vírus da hepatite B) e os caulimovirus de plantas. O genoma destes vírus é composto por DNA de fita parcialmente dupla, que é transcrito pelos mesmos mecanismos celulares que atuam nos vírus das classes I e II. A diferença ocorre na replicação do ácido nucléico, que se dá através da enzima transcriptase reversa viral, usando como molde um RNAm genômico. Os vírus que seguem este mecanismo de replicação estão sendo considerados como pertencentes à classe VII.

2.7. Maturação Após terem sido sintetizados, as proteínas e o ácido nucléico viral têm de ser reunidos para formar partículas virais maduras, processo geralmente chamado de maturação viral. A maturação ou montagem da partícula viral pode ser um processo espontâneo. As evidências acumuladas durante anos indicam que os principais constituintes dos vírus, como subunidades protéicas e o ácido nucléico, não estão ligados por pontes covalentes. Os capsídeos são formados por auto-reunião de monômeros em capsômero e de capsômeros em capsídeos. O ácido nucléico não parece ser necessário, pois em cortes ultrafinos de células infectadas com vírus podem ser vistos capsídeos vazios, sem ácido nucléico. Os vírus icosaédricos são concentrados em grande número no local da maturação e tendem a formar cristais intracelulares. Nos vírus com envelope, inicialmente ocorre reunião do capsídeo e do ácido nucléico, para formar o nucleocapsídeo, circundado pelo envelope. Ocorrem distinções em relação à localização da replicação (citoplasma ou núcleo) e a estrutura morfológica da partícula viral (nucleocapsídeo com ou sem envoltório). Geralmente a liberação das partículas virais ocorre por lise celular.

2.8. Liberação A maioria dos vírus não pode coexistir indefinidamente com as células onde se multiplica; a célula pode morrer ou simplesmente

cessar de suprir todos os fatores para a continuação da multiplicação viral. Os vírus devem se disseminar de uma célula para outra. Para tanto, a partícula infecciosa deve deixar a célula na qual houve a maturação e penetrar numa célula não infectada. Alguns vírus são liberados por lise da célula hospedeira. Em casos extremos, a célula se rompe, liberando partículas virais e outros componentes celulares para o meio. Este é o final característico do tipo lítico de infecção de bactérias por fagos virulentos. Na fase de síntese protéica tardia, alguns bacteriófagos produzem lisozima, que digere a parede bacteriana, facilitando a lise. Este tipo de liberação pela lise celular pode ocorrer também na infecção por vírus animais, representando, porém, um evento inespecífico, cujos mecanismos ainda não estão totalmente esclarecidos. Durante o ciclo infeccioso, as partículas virais podem se acumular em vesículas ou cisternas, algumas das quais conectadas por túbulos com exterior da célula. Os vírus podem ser liberados através desses túbulos. Este fato é deduzido a partir das observações feitas ao microscópio eletrônico, onde são visualizados vírus em cisternas e túbulos e confirmado pela demonstração precoce da existência de vírus infecciosos no meio que rodeia as células infectadas. Assim, por exemplo, existem dois mecanismos por meio dos quais um vírus como o poliovírus pode ser liberado de uma célula infectada: através de passagem tubular, durante um período extenso de tempo, e através da lise. Vírus envelopados adquirem envelope durante brotamento através da membrana celular. Proteínas virais específicas do envelope são sintetizadas durante a fase tardia de síntese protéica e são inseridas na membrana celular. O nucleocapsídeo se associa com a superfície interior da membrana plasmática alterada, já contendo proteínas virais. Durante a saída do nucleocapsídeo da célula, a partícula viral é envelopada por esta membrana alterada: este processo é chamado brotamento. Os lipídios do envelope viral são inteiramente derivados da célula hospedeira, pois não foi demonstrado metabolismo lipídico específico para o vírus. Em um vírus envelopado, a composição lipídica é igual à composição de lipídios da membrana plasmática da célula hospedeira. Vírus envelopados diferentes, cultivados no mesmo tipo de célula, são muito semelhantes na composição lipídica. Os mecanismos de penetração da partícula viral por endocitose causam pequeno dano permanente à membrana celular, o brotamento também parece não causar danos significativos às membranas. Aparentemente, a membrana celular é rapidamente reparada em uma célula viável e pode suportar a saída de centenas de partículas virais. Alguns vírus que se replicam no núcleo, como os herpesvirus, brotam através da membrana nuclear, adquirindo assim o



envelope. Já envelopados, os vírus acumulam-se no espaço entre a lamela interna e externa da membrana nuclear, nas cisternas do retículo endoplasmático e em vesículas, sendo levados para a superfície celular, protegidos do contato com o citoplasma. A quantidade de partículas virais liberadas por célula varia com o tipo de vírus, com o tipo de célula e com as condições de crescimento. Para os bacteriófagos, cada célula pode liberar, em média, de l0 até l.000 partículas, sendo normalmente liberadas poucas centenas. Nos vírus animais, a quantidade de vírus liberada pode ser maior que para os vírus bacterianos, variando de poucos mil a milhões de partículas por célula.

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