Virus (biologie) | Virussen zijn niet vrijlevend: ze kunnen alleen parasieten zijn

Genoom

Genomische diversiteit onder virussen
Eigendom	Parameters
Nucleïnezuur	RNA DNA Zowel RNA als DNA (in verschillende stadia van de levenscyclus)
Vorm	Lineair Circulaire Gesegmenteerd
Gestrandheid	Enkelstrengs Dubbelstrengs Dubbelstrengs met gebieden van enkelstrengsheid
Gevoel	Positieve zin (+) Negatieve zin (-) Ambisense (+/-)

Virussen hebben veel genomische structuren. Als groep zijn ze diverser dan planten, dieren, archaea of bacteriën. Er zijn miljoenen verschillende soorten virussen, maar slechts ongeveer 7000 daarvan zijn in detail beschreven.⁴⁹

Een virus heeft RNA- of DNA-genen en wordt daarom een RNA-virus of een DNA-virus genoemd. De overgrote meerderheid van de virussen heeft een RNA-genoom. Plantenvirussen hebben meestal enkelstrengs RNA-genomes en bacteriofagen hebben meestal dubbelstrengs DNA-genomes.^96/99

Minder dan 7.000 soorten zijn in detail beschreven, maar er zijn er ongetwijfeld nog veel meer te ontdekken.

 
Virusreplicatiecyclus: 1-Attachment, 2-Penetratie, 3-Uncoating, 4-Synthese (4a-Transcriptie, 4b-Translatie, 4c-Genoomreplicatie), 5-Assemblage, 6-Release.  

Replicatiecyclus

Virale populaties groeien niet door celdeling, omdat ze geen cellen hebben. In plaats daarvan gebruiken zij de machinerie en het metabolisme van een gastheercel om vele kopieën van zichzelf te produceren, en zij assembleren (voegen zich samen) in de cel.

De levenscyclus van virussen verschilt sterk per soort, maar er zijn zes basisstadia in de levenscyclus van virussen:^75/91

• Aanhechting is een binding tussen virale capside-eiwitten en specifieke receptoren op het celoppervlak van de gastheer.
• Penetratie volgt op hechting: Virionen (afzonderlijke virusdeeltjes) dringen de gastheercel binnen door receptorgemedieerde endocytose of fusie met de lipide bilaag. Dit wordt virale toegang genoemd.
   De infectie van planten- en schimmelcellen verschilt van die van dierlijke cellen. Planten hebben een stijve celwand van cellulose, en schimmels een van chitine. Dit betekent dat de meeste virussen alleen met geweld in deze cellen kunnen komen.⁷⁰ Een voorbeeld: een virus reist op een insectenvector die zich voedt met plantensap. Door de beschadiging van de celwanden kan het virus binnenkomen.
   Bacteriën hebben, net als planten, sterke celwanden waar een virus doorheen moet om de cel te infecteren. Bacteriële celwanden zijn echter veel dunner dan plantencelwanden, en sommige virussen hebben mechanismen die hun genoom in de bacteriële cel injecteren, terwijl het virale kapsel erbuiten blijft.⁷¹
• Uncoating is de manier waarop het virale kapsel wordt verwijderd: Dit kan gebeuren door virale enzymen of gastheerenzymen of door eenvoudige dissociatie; het eindresultaat is het vrijkomen van het virale nucleïnezuur.
• Replicatie van virussen is het vermenigvuldigen van het genoom. Dit betekent meestal de productie van viraal boodschapper-RNA (mRNA) van "vroege" genen. Bij complexe virussen kan dit worden gevolgd door een of meer verdere rondes van mRNA-synthese: de "late" genexpressie betreft structurele of virioneiwitten.
• Na de zelfassemblage van de virusdeeltjes vindt vaak enige wijziging van de eiwitten plaats. Bij virussen zoals HIV vindt deze wijziging (soms rijping genoemd) plaats nadat het virus uit de gastheercel is vrijgemaakt.
• Virussen kunnen uit de gastheercel vrijkomen door lysis, een proces waarbij de cel wordt gedood door het barsten van het membraan en de celwand. Dit is een kenmerk van veel bacteriële en sommige dierlijke virussen.
  Bij sommige virussen wordt het virale genoom door genetische recombinatie op een specifieke plaats in het chromosoom van de gastheer
  geplaatst. Het virale genoom wordt dan een "provirus" of, in het geval van bacteriofagen, een "prophage" genoemd.⁶⁰
   Telkens wanneer de gastheer zich deelt, wordt ook het virale genoom gerepliceerd. Het virale genoom is meestal stil in de gastheer; op een bepaald moment kan het provirus of de prophage echter aanleiding geven tot een actief virus, dat de gastheercellen kan lyseren. ^{hoofdstuk 15}
  Enveloppevirussen (bijv. HIV) komen meestal vrij uit de gastheercel nadat het virus zijn enveloppe heeft gekregen. De envelop is een aangepast stuk plasmamembraan van de gastheer.^185/7

Genetisch materiaal en replicatie

Het genetisch materiaal in virusdeeltjes, en de manier waarop het materiaal wordt gerepliceerd, verschilt aanzienlijk tussen verschillende soorten virussen.

RNA-virussen

Replicatie vindt meestal plaats in het cytoplasma. RNA-virussen kunnen worden ingedeeld in vier verschillende groepen, afhankelijk van hun wijze van replicatie. Alle RNA-virussen gebruiken hun eigen RNA-replicase-enzymen om kopieën van hun genoom te maken.⁷⁹

DNA-virussen

De genoomreplicatie van de meeste DNA-virussen vindt plaats in de celkern. De meeste DNA-virussen zijn volledig afhankelijk van de DNA- en RNA-synthesemachines en RNA-verwerkingsmachines van de gastheercel. Virussen met grotere genomen kunnen een groot deel van deze machinerie zelf coderen. Bij eukaryoten moet het virale genoom het kernmembraan van de cel passeren om toegang te krijgen tot deze machinerie, terwijl het bij bacteriën alleen de cel hoeft binnen te dringen.⁵⁴⁷⁸

Omgekeerde transcriptie van virussen

Omgekeerde transcriberende virussen met RNA-genomes (retrovirussen) gebruiken een DNA-intermediair om te repliceren. Virussen met een DNA-genoom (pararetrovirussen) gebruiken een RNA-intermediair tijdens de genoomreplicatie. Zij zijn gevoelig voor antivirale geneesmiddelen die het enzym reverse transcriptase remmen. Een voorbeeld van het eerste type is HIV, dat een retrovirus is. Voorbeelden van het tweede type zijn de Hepadnaviridae, waartoe het Hepatitis B-virus behoort.^88/9

 

Deze gekleurde transmissie-elektronenmicrofoto toont de ultrastructurele details van een influenzavirusdeeltje, of "virion". Het influenzavirus is een enkelstrengs RNA-organisme  

Afweermechanismen van de gastheer

Aangeboren immuunsysteem

De eerste verdedigingslinie van het lichaam tegen virussen is het aangeboren immuunsysteem. Dit bestaat uit cellen en andere mechanismen die de gastheer verdedigen tegen elke infectie. De cellen van het aangeboren systeem herkennen en reageren op algemene wijze op ziekteverwekkers.

RNA-interferentie is een belangrijke aangeboren verdediging tegen virussen. Veel virussen hebben een replicatiestrategie waarbij dubbelstrengs RNA (dsRNA) wordt gebruikt. Wanneer een dergelijk virus een cel infecteert, laat het zijn RNA-molecuul los. Een eiwitcomplex, dicer genaamd, blijft eraan plakken en hakt het RNA in stukjes. Vervolgens start een biochemische route, het RISC-complex genaamd, op. Dit valt het virale mRNA aan, en de cel overleeft de infectie.

Rotavirussen vermijden dit door zich in de cel niet volledig te ontcoaten en door nieuw geproduceerd mRNA vrij te laten via poriën in het binnenste kapsel van het deeltje. Het genomische dsRNA blijft beschermd in de kern van het virion.

De productie van interferon is een belangrijk verdedigingsmechanisme van de gastheer. Dit is een hormoon dat door het lichaam wordt geproduceerd wanneer er virussen aanwezig zijn. Zijn rol in de immuniteit is complex; het stopt uiteindelijk de voortplanting van de virussen door de geïnfecteerde cel en zijn naaste buren te doden.

Adaptief immuunsysteem

Gewervelde dieren hebben een tweede, meer specifiek immuunsysteem. Dit wordt het adaptieve immuunsysteem genoemd. Wanneer het een virus tegenkomt, produceert het specifieke antilichamen die zich aan het virus binden en het virus onschadelijk maken. Twee soorten antilichamen zijn belangrijk.

Het eerste, IgM genaamd, is zeer effectief in het neutraliseren van virussen, maar wordt slechts enkele weken door de cellen van het immuunsysteem geproduceerd. Het tweede, IgG, wordt onbeperkt geproduceerd. De aanwezigheid van IgM in het bloed van de gastheer wordt gebruikt om te testen op een acute infectie, terwijl IgG wijst op een infectie ergens in het verleden. Bij immuniteitstests wordt IgG-antistof gemeten.

Een andere verdediging van gewervelde dieren tegen virussen bestaat uit afweercellen die bekend staan als T-cellen. De lichaamscellen tonen voortdurend korte fragmenten van hun eiwitten op het celoppervlak, en als een T-cel daar een verdacht virusfragment herkent, wordt de gastheercel vernietigd door dodelijke T-cellen en woekeren de virus-specifieke T-cellen. Cellen zoals macrofagen zijn specialisten in deze antigeenpresentatie.

Het immuunsysteem ontwijken

Niet alle virusinfecties veroorzaken een beschermende immuunrespons. Deze hardnekkige virussen ontwijken de immuuncontrole door sequestratie (verstoppen); resistentie tegen cytokinen; ontwijken van de activiteit van natural killer cellen; ontsnappen aan apoptose (celdood), en antigene verschuiving (veranderen van oppervlakte-eiwitten). HIV ontwijkt het immuunsysteem door voortdurend de aminozuurvolgorde van de eiwitten op het oppervlak van het virion te veranderen. Andere virussen verplaatsen zich langs zenuwen naar plaatsen die het immuunsysteem niet kan bereiken.

 
Twee rotavirussen: het rechtse is gecoat met antilichamen die verhinderen dat het zich aan cellen hecht en deze infecteert.  

Evolutie

Virussen behoren tot geen van de zes koninkrijken. Ze voldoen niet aan alle eisen om als levend organisme te worden geclassificeerd, omdat ze pas actief zijn op het moment van infectie. Dat is echter slechts een verbaal punt.

Het is duidelijk dat zij door hun structuur en werkwijze zijn geëvolueerd van andere levende wezens. De oorsprong van virussen in de evolutionaire geschiedenis van het leven is onduidelijk: sommige kunnen zijn geëvolueerd uit plasmiden - stukjes DNA die zich tussen cellen kunnen verplaatsen - terwijl andere kunnen zijn geëvolueerd uit bacteriën. In de evolutie zijn virussen een belangrijk middel voor horizontale genoverdracht, waardoor de genetische diversiteit toeneemt.

 

Recente ontdekkingen

Een recent project heeft bijna 1500 nieuwe RNA-virussen ontdekt door meer dan 200 ongewervelde soorten te bemonsteren. "Het onderzoeksteam... extraheerde hun RNA en ontcijferde met behulp van next-generation sequencing de volgorde van maar liefst zes biljoen letters die aanwezig waren in de RNA-bibliotheken van de ongewervelden". Uit het onderzoek bleek dat virussen stukjes en beetjes van hun RNA veranderden door een verscheidenheid aan genetische mechanismen. "Het viroom van ongewervelden [vertoont] een opmerkelijke genomische flexibiliteit die frequente recombinatie, laterale genoverdracht tussen virussen en gastheren, genwinst en -verlies en complexe genomische herschikkingen omvat".

Hoe bacteriën en archaea omgaan met virussen

Virussen bestaan al heel lang op deze planeet. We weten nu dat bacteriën en archaea er eerst mee te maken kregen, voordat ons type cellulair leven zich ontwikkelde. Details over de door archaea en bacteriën gebruikte afweermechanismen worden besproken op de pagina CRISPR, waar het onderwerp van vroege afweer tegen virussen kort wordt geïntroduceerd.

 

Grootste virus

Een groep grote virussen infecteert amoeben. Het grootste is het Pithovirus. Andere in volgorde van grootte zijn Pandoravirus, dan Megavirus, dan Mimivirus. Ze zijn groter dan sommige bacteriën, en zichtbaar onder een lichtmicroscoop.

 

Virussen in de zee

Virussen zijn overal in de zee. Ze overtreffen alle andere vormen van zeeleven met minstens een orde van grootte. Door selectieve besmetting beïnvloeden virussen de nutriëntencyclus en de evolutie in de oceaan.

 

Gebruikt

Virussen worden veel gebruikt in de celbiologie. Genetici gebruiken virussen vaak als vectoren om genen te introduceren in cellen die zij bestuderen. Dit is nuttig om de cel een vreemde stof te laten produceren, of om het effect te bestuderen van de introductie van een nieuw gen in het genoom. Oost-Europese wetenschappers maken al enige tijd gebruik van faagtherapie als alternatief voor antibiotica, en de belangstelling voor deze aanpak neemt toe vanwege de hoge mate van antibioticaresistentie die nu bij sommige ziekteverwekkende bacteriën wordt aangetroffen.