VİRAL REPLİKASYON HAZIRLAYANLAR Bengü GÜL (040559012) Gülcan Öztürk (040559024) Prof. Dr. Figen ERKOÇ Gazi Eğitim Fakültesi
Viral Nükleik Asitler Viral nükleik asitler birbirlerinden son derece farklılık gösteren moleküllerdir. o Bazı viral nükleik asitler RNA, diğerleri DNA yapısındadır. o Bazıları tek iplikli, diğerleri çift iplikli yapı gösterirler. o Lineer ve dairesel (sirküler) olabilir. o Kapsid içinde tek molekül olarak veya parçacıklı (fragmentli, segmentli) genom içerebilir. o Bazı RNA virüsleri pozitif (+) polariteli (anlamlı, sense strand) iken; o Diğerleri negatif (-) polaritelidir (anlamsız, antisense strand) NOT: Viral nükleik asitlerin yapılarının bilinmesi, replikasyon mekanizmalarının anlaşılması açısından önemlidir.
- Viral nükleik asitlerin genom büyüklükleri de virionlar arasında oldukça farklılık gösterir. Küçük virüslerde viral genom 3-4 gen taşırken; büyük virüslerde bu sayı 200-300'e ulaşır. -Hepatit B virüsünün genomu en küçük DNA genomu olmasına karşılık, Herpes ve Pox virüslerin genomları en büyük genomlar arasında yer alır. - Çift iplikli nükleik asit yapısı DNA virüslerinde yaygındır. - Parvovirus hariç bütün DNA virüsleri çift ipliklidir. - Tek iplikli nükleik asit yapısı ise RNA virüslerinde yaygındır. - Reovirus hariç bütün RNA virüsleri tek ipliklidir.
- DNA virüslerinde parçacıklı genom görülmez. - Parçacıklı nükleik asit yalnızca bazı RNA virüslerinde vardır. Parçacıklı genom içeriği bu virüslerde yüksek sıklıkta rekombinasyon oluşmasına neden olur. - Bütün RNA virüslerinin nükleik asitleri lineer yapı gösterir. - DNA virüslerinde ise hem lineer hem de sirküler nükleik asit yapısı görülür. - DNA virüslerinden Papovavirus ve Hepadnavirus grubu sirküler DNA yapısındadır.
Çeşitli tipteki nükleik asitlerin şematik görünümleri Tek zincirli Lineer Çift zincirli Linear Çift zincirli sirkülr Tek zincirli Parçacıklı Çift zincirli Parçacıklı
DNA Virüs Ailelerinin Genel Özellikleri Virüs Ailesi Büyüklük Nükleik Asit Tipi Kapsid Simetrisi Zarf Herpesviridae 180-250 nm Çift İplikcik İkozahedral Poxviridae 230-400 nm Çift İplikcikli Kompleks Zarflı Zarflı Adenoviridae 70-90 nm Çift İplikcikli İkozahedral Zarfsız Parvoviridae 18-26 nm Tek İplikcik İkozahedral Zarfsız Papovaviridae 45-55 nm Çift İplikcikli İkozahedral Zarfsız Hepadnaviridae 42 nm Çift İplikcikli Kompleks Zarflı
RNA Virüs Ailelerinin Genel Özellikleri Virüs Ailesi Büyüklük Nükleik Asit Tipi Kapsid Simetrisi Zarf Picornaviridae 20-30 nm Tek İplikcik İkozahedral Zarfsız Orthomyxoviridae 80-120 nm Tek İplikcik Helikal Zarflı Paramyxoviridae 150-300 nm Tek İplikcik Helikal Zarflı Togaviridae 50-70 nm Tek İplikcikli İkozahedral Zarflı Rhabdoviridae 75-180 nm Tek İplikcik Helikal Zarflı Retroviridae 90-120 nm Tek İplikcik Kompleks Zarflı Filoviridae 80-4000 nm Tek İplikcik Helikal Zarflı Reoviridae 60-80 nm Çift İplikcik İkozahedral Zarfsız Arenaviridae 80-130 nm Tek İplikcikli Kompleks Zarflı Bunyaviridae 90-100 nm Tek İplikcik Helikal Zarflı Coronaviridae 80-160 nm Tek İplikcik Kompleks Zarflı Flaviviridae 45-50 nm Tek İplikcik Kompleks Zarflı Caliciviridae 35-40 nm Tek İplikcik İkozahedral Zarflı
Parvovirus grubu hariç diğer bütün DNA virusları çift iplik içerirler. Reovirus grubu hariç bütün RNA virusları tek iplikli RNA içerirler. Bazı RNA virusları parental RNA yı replikasyonları sırasında direkt olarak mrna olarak kullanırlar. Bu nedenle virion içerisinde RNA polimeraz enzimleri yoktur. Parental RNA sı mrna ile aynı polaritede olan bu viruslara POZİTİF POLARİTELİ VİRUSLAR adı verilir. --Picornaviruslar, Caliciviruslar, Togaviruslar, Coronaviruslar ve Retroviruslar pozitif polariteli viruslardır.
Diğer RNA virusları ise virion içerisinde RNA polimeraz enzimi içerirler; çünkü parental RNA ya komplementer bir mrna sentez etmek zorundadırlar. Yani parental RNA doğrudan görev yapamaz. Bu viruslara NEGATİF (-) POLARİTELİ VİRUSLAR adı verilir. --Orthoviruslar, Paramyxovirular, Rhabdoviruslar, Bunyaviruslar ve Arenaviruslar bu grupta yer alır. EK BİLGİ : Enteresan olarak virion içerisinde replikasyon enzimi (RNA/DNA polimeraz) içeren virus nükleik asitleri enfektif değillerdir. Ancak virion içi enzimi olmayan DNA virusları ve pozitif polariteli RNA viruslarının nükleik asitleri enfektivite özelliği gösterirler.
VİRÜSLERİN REPLİKASYONLARI Bir virüsün konak hücreye girmesi ve çoğalması sonucunda kendine benzer yeni birçok virüsün (progeni) oluşmasına neden olur. Virüslerin replikasyonundaki basamaklar aşağıda sıralanmıştır: 1. Konak hücreye tutunma ve adsorbsiyon (Attachment) 2. Hücreye giriş (Penetrasyon, endositozis, internalizasyon) 3. Kapsidin soyulması/+zarfın çıkarılması (Uncoating) 4. Biosentez a) Erken mrna sentezi b) Erken protein sentezi c) Nükleik asit sentezi (viral replikasyon) d) Geç mrna sentezi e) Geç protein sentezi 5. Viral ürünlerin bir araya toplanması (Assembly) ve olgunlaşma (Maturation) 6. Salınım (hücreden çıkış) (Releasing)
1)Konak hücreye tutunma ve adsorbsiyon: Virüs üremesinde en önemli devre olarak bilinir. Virüsün hücre yüzeyindeki virüse uygun reseptörlerle etkileşime girmesidir. Yani hücre yüzeyine tutunması ya da yapışması olayıdır.
2) Penetrasyon: Virüslerin konak hücre içerisine girdiği dönemdir. Hücre içerisine giriş dört mekanizma ile gerçekleşebilir: a) Çıplak virüsler hücre içerisine ufak partiküllerin fagositozuna (pinositoz) benzer bir mekanizma ile alınırlar (viropexis). b) Zarflı virüslerin çoğu hücre içerisine füzyon yolu ile girerler. Bu mekanizmada viral zarf ile hücre membranı arasında bir kaynaşma olur ve nükleokapsid direkt olarak sitoplazmaya bırakılır. c) Bazı virüslerin kapsid soyulması hücre membranına adsorbe olduktan sonra konak-hücre enzimleri tarafından kapsidin membranda parçalanması ve yalnız nükleik asidin içeri alınması yoluyla meydana gelir. d) Bazı virüsler (özellikle bitki virüsleri) doğrudan penetrasyon dediğimiz bir mekanizma ile tümüyle sitoplazma içine alınır.
Zarfsız virüslerde penetrasyon: Zarflı virüslerde penetrasyon:
3)Kapsidin Soyulması (Uncoating) Viral nükleik asidin sentez yerine gitmeden önce bütün kapsid proteinlerinden kurtulması gerekir. Hücre içerisine giren virüsün kapsid kısmı; hücrede daha önceden mevcut proteolitik enzimler tarafından veya virüsün sitoplazmik vakuol içerisine alınarak lizozomal enzimler vasıtasıyla parçalanır. Bazı virüslerde kapsidin soyulması adsorbsiyonu takiben başlar (poliomyelitis visüsü gibi). Bazı virüsler örneğin Reovirüsler, hiçbir zaman tamamıyle kapsidlerinden kurtulamazlar, kısmen soyulmuş kapsid içerisinde mrna sentezi yapılır. Kapsidin soyulmasıyla virüs nukleik asidi sitoplazmada tamamen serbest hale geçer. Bu döneme EKLİPS DÖNEMİ adı da verilir. Bu dönemde virüsün enfeksiyon yapma özelliği ortadan kalkar.
Kapsidin soyulması
4)Biosentez : Viral nükleik asit kapsid kısmından ayrılıp serbest hale geçtikten sonra biyosentez dönemi başlar. Bu dönem virus gruplarına, cinslerine ve türlerine göre önemli ayrılıklar gösterir. Viral ürünlerin sentezi ve viral nukleik asit replikasyonunun stratejisi; virusun nukleik asit cinsine, nukleik asit yapısına ve virion içi enzim içeriğine bağlıdır. Genelleme yapılacak olursa; RNA virüsleri hücre sitoplazmasında, DNA virüsleri ise hücre çekirdeğinde replike olmak üzere organize olmuştur.
DNA virusleri DNA larını hücre nükleusunda, proteinlerini ise sitoplazmada sentezler (Poxvirus grubu haricinde-poxvirusler virion içi enzim içermeleri ve sentez ettikleri replikatif enzimler nedeniyle sitoplazmada replike olur). DNA viruslerinin hücre nükleusunda replike olmalarının sebebi; DNA kalıbından erken mrna sentezi için hücresel DNA ya bağımlı RNA enzimini kullanmalarıdır. RNA virusleri (Orthomyxovirusler, bazı Paramyxovirusler ve Retrovirusler haricinde) viral ürünlerini hücre sitoplazmasında sentez ederler. Orthovirus, bazı Paramyxoviruslerin ve ÖNEMLİ: Retroviruslerin replikasyonlarının bir bölümü hücre nükleusunda yer alır.
Biyosentez Aşamaları Biyosentez aşamasında sentezlenen değişik yapıtaşları: Erken mrna sentezi Erken protein sentezi Viral nükleik asit sentezi Geç mrna sentezi Geç protein sentezi
Erken mrna Sentezi Viral replikasyon sırasında nükleik asit sentezi başlamadan önce sentez edilen bütün mrna'lar erken mrna olarak adlandırılırlar.
Erken Protein Sentezi Viral replikasyon sırasında nükleik asit sentezi başlamadan önce sentez edilen proteinler erken protein olarak adlandırılır. Erken proteinler genellikle virüsün yapısına girmeyen, viral nükleik asit sentezinde rol oynayan proteinlerdir.
Viral Nükleik Asit Sentezi DNA ve RNA virüslerinin nükleik asit transkripsiyonu ve replikasyonu, virüslerin genom yapısı, gen transkripsiyon şekli ve virion enzimi içeriğine göre farklılıklar gösterir. Viral nükleik asit sentezi iki grup altında incelenir: 1 DNA virüslerinde biyosentez 2 RNA virüslerinde biyosentez
Geç mrna Sentezi Viral nükleik asit sentezi başladıktan sonra sentez edilen bütün mrna'lar geç mrna olarak adlandırılır.
Geç Protein Sentezi Viral nükleik asit sentezi başladıktan sonra sentez edilen bütün proteinler geç protein olarak adlandırılır. Geç proteinler virionun yapısına giren proteinlerdir.
Sonuç olarak ; Geç proteinler virusun yapısal proteinleridir (özyapı, kapsomer, peplomer vs ). Biosentez kademesinden sonra artık viral ürünler replikasyon yerinde birikmeye başlarlar ve sitolojik boyalarla boyanabilen İNKLÜZYON CİSİMCİKLERİ adı verilen oluşumları ortaya çıkarırlar. Bunlar viral teşhiste yardımcı bir teşhis faktörü olarak kullanılmaktadır (örneğin kuduzda Negri cisimciklerinin varlığı).
Reovirus hariç bütün mrna lar 3 uçlarından poliadenislasyona uğrar. Poliadenilasyon 50-200 nükleotid büyüklüğündedir. Poliadenilasyon mrna lardan protein sentezinin hızlı bir şekilde yürütülmesinde şarttır. Viral replikasyon sırasında nükleik asit sentezi başlamadan önce sentez edilen tüm mrna lar ve bunların ürünleri ERKEN olarak adlandırılır. Viral nükleik asit sentezi başladıktan sonra sentez edilen tüm mrna lar ve onların ürünleri proteinler GEÇ olarak adlandırılırlar.
Replikasyonun sınıflandırılmasında viral genomun yapısı, gen transkripsiyon şekli ve virion içi enzim içeriği önem taşımaktadır. DNA ve RNA viruslerinin nukleik asit transkripsiyonu ve replikasyonu virusların bazı özellikleri göz önüne alınarak 6 gruba ayrılmaktadır : Sınıf 1. Çift iplikli DNA viruslarının replikasyonu Sınıf 2. Tek iplikli DNA viruslarının replikasyonu Sınıf 3. Çift iplikli RNA viruslarının replikasyonu Sınıf 4. Pozitif polariteli tek iplikli RNA viruslarının replikasyonu Sınıf 5. Negatif polariteli tek iplikli RNA viruslarının replikasyonu Sınıf 6. Tek iplikli reverse transcriptase (RT) içeren RNA viruslarının replikasyonu
Sınıf 1. Çift iplikli DNA viruslarının replikasyonu Çift iplikli DNA virusları semikonservatif olarak replike olur. Replikasyon öncesi DNA molekülünün her iki ipliği de mrna için kalıp görevi yapar. Adenovirus, Herpes virus, Papovaviruslar, Poxvirusları, Hepatit B virusu nukleik asiti (DNA) bu şekilde replike olur.
Adenoviruslar: Asimetrik replikasyon gösterirler.dna iplikçiklerinin her ikisi de sonlarında benzer baz dizilerine sahiptirler. Bu nedenle replikasyon sırasında; sonlarında bulunan tekrarlayan baz dizileri tek iplikli sirküler DNA nın oluşmasına yol açar. Daha sonra sirküler tek iplikli DNA sentez sırasında açılarak çift iplikli DNA haline çevirilir. Herpes viruslar: Çift iplikli linear DNA sı hücre nükleusuna girdikten sonra uç kısımlarından eksonukleotit parçalanmaya uğrar. Parçalanan DNA, sirküler molekülleri oluşturur. Daha sonra baş ve kuyruk birleşmesi ile konkatamerler oluşur. Olgunlaşma sırasında DNA molekülleri konkatamerlerden kesilerek ayrılır. Papovaviruslar: Sirküler çift iplikli DNA içerir. Replikasyonları çembersel aracılar oluşmasıyla ve simetrik olarak meydana gelir.
Poxviruslar: DNA ları büyüklük ve replikasyon yönünden diğer DNA viruslarından farklılık gösterir. Replikasyon sırasında komplementer DNA nın iki ucu birbirine bağlanır, her iki uçta iki çeşit palindromlar oluşturur. Daha sonra sentezlenen DNA dan kesilme ve tekrar bağlanma yoluyla progeni DNA lar oluşur. Hepatit B virusu: %70 çift iplikli, %30 tek iplikli genom içeren bir yapıya sahiptir. Çoğalma için revers transkripsiyon yöntemini kullanır. Tek iplikli DNA bölgesi çift iplikli hale çevrilir, böylece kovalent olarak kapalı çembersel bir molekül oluşur. Negatif RNA kalıbından sentez edilen DNA transkriptleri RT tarafından DNA haline çevrilir. Daha sonra bu DNA ya karşı sentez edilen 2. iplikçik çift iplikli moleküllerin oluşumunu sağlar.
Sınıf 2. Tek iplikli DNA viruslarının replikasyonu Bu grupta Parvoviruslar mevcuttur. Parvoviruslar enfekte hücrelerde replikasyon sırasında çift iplikli replikasyon aracıları oluşur. DNA molekülünün uçları intramoleküler tek iplikli çemberler oluştururlar ki, bunlar 5 ve 3 linear konkatamerlerin sentezini sağlarlar. Bu DNA lardan tek molekül mrna sentez edilir.
Sınıf 3. Çift iplikli RNA viruslarının replikasyonu Bu grupta Reoviruslar mevcuttur ve Reovirus genomu 10 parça çift iplikli RNA segmentinden oluşur. Virion içerisinde RNA polimeraz,nükleotit fosforilaz ve guanidil ile metil transferaz aktiviteleri mevcuttur. Her çift iplikli RNA segmentinin (-) iplikçiği kalıp olarak kullanılarak tek iplikli (+) RNA molekülleri sentez edilir. Bu RNA lar hem mrna görevi yaparlar,hem de progeni RNA için kalıp fonksiyonu görürler. Böylece yeni çift iplikli progeni RNA lar sentezlenmiş olur.
Sınıf 4. (+) Polariteli Tek İplikli RNA Viruslarının Replikasyonu Bu grupta Poliovirusları ve Togaviruslar mevcuttur. Bu sınıfta bulunan viruslar parental RNA ları mrna olarak kullanırlar ve bu nedenle pozitif polariteli olarak adlandırılırlar. Pozitif iplikçik direkt olarak poliribozomlara giderek protein haline tercüme edilir. Replikasyon sırasında (+) iplikçik üzerinde, komplementer yeni (-) iplikçikler sentezlenir. Ayrılan herbir (-) iplikli RNA, yeni (+) RNA ların sentezi için kalıp görevi üstlenir.
Sınıf 5. (-) Polariteli Tek İplikli RNA Viruslarının Replikasyonu Bu grupta bulunan Orthomyxoviruslar 8 RNA segmentinden oluşmaktadırlar. Herbir (-) polariteli segment RNA polimeraz enzimi tarafından (+) RNA şekline kopya edilir. Rhabdoviruslar ve Paramyxoviruslar ise tek molekül RNA içerirler. Bu sınıfta bulunan RNA viruslarında parental (-) iplikli RNA kalıp olarak kullanılır ve (+) iplik sentez edilir. Yeni sentez edilen (+) iplikli RNA lar hem mrna görevi görürler, hem de yeni (-) ipliklerin (progeni RNA) sentezi için kalıp fonksiyonu yaparlar.
Sınıf 6. Tek İplikli RT İçeren Virusların Replikasyonu Bu grupta onkojenik RNA virusları olarak da adlandırılan Retroviruslar yer almaktadır. Bu viruslar tek iplikli 70S pozitif RNA içerirler ki,bu RNA birimi ayrı iki 35S RNA dan oluşur. Virion içerisinde RT(reverse transcriptase),rnaz-h ve endoribonukleaz bulunur. RT enzimi RNA yı kalıp olarak kullanarak bir (-) DNA sentez eder.böylece bir RNA:DNA hibridi oluşur. RNaz-H enzimi bu hibriddeki RNA yı parçalayarak (-) DNA nın (+) komplementer DNA sentezine geçmesine yardımcı olur.böylece çift iplikli bir DNA oluşur ki,buna Provirus adı verilir. Meydana gelen çift iplikli DNA molekülü çembersel hale dönüşür,hücre çekirdeğine hareket eder ve konak hücre DNA sına entegre olur.
5) Viral ürünlerin bir araya toplanması (Assembly) ve Olgunlaşma(Matürasyon): Hücre içerisinde ayrı ayrı oluşan viral yapıların birleşerek, tam virüs partiküllerinin meydana geldiği dönemdir. DNA viruslarında sitoplazmada sentez edilen proteinler nükleusa hızla taşınarak tüm virus partikülü nükleusda oluşur. RNA viruslarının tüm partikül oluşturması ise sitoplazmada gerçekleşir. Olgunlaşma sırasında önce kapsomerler birleşerek içi boş kapsitler meydana gelir. Daha sonra replike olan viral nukleik asitler bu boş kapsitler içerisine girerek tam bir nukleokapsit oluşumunu sağlarlar. Oluşan virion olgun virüs parçacığıdır.
Assembly ve Maturation
6) Salınım (Hücreden çıkış): Oluşan tüm virus partikülleri sentez yerinde birikmeye başlarlar.virusların üredikleri hücreden dışarı çıkmaları genellikle 2 yolla olur: 1. Çıplak viruslar hücreden, hücrenin erimesi (otolizis) ile olgunlaşırlar. 2. Zarflı viruslar nukleik asit içeriklerine ve üreme bölgelerine ya nükleer membrandan ya da sitoplazmik membrandan tomurcuklanma ile olgunlaşırlar.
Zarfsız viruslerin hücreden çıkışı
Zarflı viruslerin hücreden çıkışı
Viral Replikasyonun Genel Şeması
Virüslerde Enfeksiyon Döngüsü
HIV (Retrovirus)
Retroviruslarda Replikasyon
REFERANSLAR: Genel Viroloji (1. Baskı-1992)-Prof. Dr. Şemsettin Ustaçelebi, Hacettepe TAŞ Yay., Ankara.. TUSDATA-Mikrobiyoloji Ders Notları (2005) http://tip.cumhuriyet.edu.tr/cutf/donem1/donemi20052006/2006iv/ omerpoyraz/viruskonakiliskileri.ppt (Prof. Dr. Ömer Poyraz) http://www.mikrobiyoloji.org/dokgoster.asp?dosya=110014500 (Prof. Dr. Mustafa Arda-Temel Mikrobiyoloji)
TEŞEKKÜRLER