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10.3: Estructura viral - Biología


Objetivos de aprendizaje

  1. Describe en qué consiste estructuralmente un virus animal.
  2. Defina lo siguiente:
    1. cápside
    2. capsómero
    3. nucleocápside.
  3. Describe cómo la mayoría de los virus animales obtienen su envoltura.
  4. Indique por qué algunos bacteriófagos son más complejos que los típicos virus poliédricos o helicoidales.

Dado que los virus no son células, estructuralmente son mucho más simples que las bacterias. Una partícula viral infecciosa intacta se llama virión y consta de: un genoma, una cápside y, a menudo, una envoltura.

Genoma viral

El genoma viral es una molécula única o segmentada, circular o lineal de ácido nucleico que funciona como material genético del virus. Puede ser ADN o ARN monocatenario o bicatenario (pero casi nunca ambos) y codifica la síntesis de componentes virales y enzimas virales para la replicación. También se está reconociendo que los virus pueden desempeñar un papel fundamental en la evolución de la vida al servir como transbordadores de material genético entre otros organismos.

Cápside viral

La cápside, o núcleo, es una capa de proteína que rodea el genoma y generalmente está compuesta por subunidades de proteínas llamadas capsómeras. La cápside sirve para proteger e introducir el genoma en las células huésped. Algunos virus consisten en no más de un genoma rodeado por una cápside y se denominan nucleocápside o nucleocápside (Figura ( PageIndex {1} )). Las proteínas de unión se proyectan desde la cápside y unen el virus a las células huésped susceptibles.

Los virus Adenovirus y Poliomielitis son ejemplos de virus desnudos (Figura ( PageIndex {2} )); ambos exhiben estructuras poliédricas.

Sobre viral

La mayoría de los virus animales también tienen una envoltura que rodea una nucleocápside helicoidal o poliédrica, en cuyo caso se denominan virus envueltos (Figura ( PageIndex {3} )). La envoltura puede provenir de la membrana nuclear de la célula huésped, las membranas vacuolares (empaquetadas por el aparato de Golgi) o la membrana citoplasmática externa.

  • Micrografía electrónica de transmisión de los virus de la rubéola que brotan de una célula huésped infectada; cortesía de CDC.
  • Micrografía electrónica de transmisión de un virus de influenza A; cortesía de CDC.
  • Micrografía electrónica de transmisión del VIH; cortesía de CDC.

Aunque la envoltura es generalmente de origen de la célula huésped, el virus incorpora proteínas propias, que a menudo aparecen como picos de glicoproteínas, en la envoltura. Estos picos de glicoproteínas funcionan para unir el virus a los receptores de las células hospedadoras susceptibles.

  • Micrografía electrónica de transmisión que muestra la envoltura y los picos de glicoproteína (gp120) del VIH; cortesía de CDC.
  • Micrografía electrónica de transmisión que muestra los picos de la envoltura y las glicoproteínas Coronavirus; cortesía de CDC.

Activación viral de la inmunidad innata

Para protegerse contra la infección, una de las cosas que el cuerpo debe hacer inicialmente es detectar la presencia de microorganismos. El cuerpo hace esto reconociendo moléculas exclusivas de los microorganismos que no están asociados con las células humanas. Estas moléculas únicas se llaman patrones moleculares asociados a patógenos o PAMP. (Debido a que todos los microbios, no solo los microbios patógenos, poseen PAMP, los patrones moleculares asociados a patógenos a veces se denominan patrones moleculares asociados a microbios o MAMP).

Por ejemplo, la mayoría de los genomas virales contienen una alta frecuencia de secuencias de dinucleótidos de citosina-guanina no metiladas (una citosina que carece de metilo o CH3 grupo y ubicado adyacente a una guanina). El ADN de los mamíferos tiene una baja frecuencia de dinucleótidos de citosina-guanina y la mayoría están metilados. Además, la mayoría de los virus producen ARN viral bicatenario único y algunos virus producen ARN viral monocatenario rico en uracilo durante partes de su ciclo de vida. Estas formas de ácidos nucleicos virales son PAMP comunes asociados con virus. Estos PAMP se unen a receptores de reconocimiento de patrón o PRR llamados receptores tipo toll o TLR que se encuentran dentro de los endosomas de las células fagocíticas. El ARN viral también puede unirse a los PRR citoplásmicos llamados RIG-1 (gen 1 inducible por ácido retinoico) y MDR-5 (gen 5 asociado a la diferenciación del melanoma).

La mayoría de los PRR que se unen a componentes virales desencadenan la síntesis de citocinas llamadas interferones de tipo I que bloquean la replicación viral dentro de las células huésped infectadas. Los TLR de los componentes virales se encuentran en las membranas de los fagosomas que se utilizan para degradar los virus durante la fagocitosis. A medida que los virus son engullidos por los fagocitos, los PAMPS virales se unen a los TLR ubicados dentro de los fagolisosomas (endosomas). Los TLR para componentes virales incluyen:

1. TLR-3 se une al ARN viral bicatenario;
2. TLR-7 se une al ARN viral monocatenario rico en uracilo, como en el VIH;
3. TLR-8 se une al ARN viral monocatenario;
4. TLR-9 se une a secuencias de dinucleótidos de citosina-guanina no metiladas (ADN CpG) que se encuentran en genomas bacterianos y virales.
5. RIG-1 (gen 1 inducible por ácido retinoico) y MDA-5 (gen 5 asociado a la diferenciación de melanoma) son sensores citoplasmáticos que detectan moléculas de ARN de cadena simple y doble virales producidas en células infectadas por virus

Los bacteriófagos son virus que solo infectan bacterias. Algunos bacteriófagos son estructuralmente mucho más complejos que la nucleocápside típica o los virus con envoltura y pueden poseer una estructura de cola única compuesta por una placa base, fibras de la cola y una vaina contráctil (ver también Figura ( PageIndex {1} ) C y Figura ( PageIndex {2} ) E). Otros bacteriófagos, sin embargo, son icosaédricos simples o helicoidales (ver Figura ( PageIndex {1} ) C).

Micrografía electrónica de un bacteriófago con vaina contráctil. A = bacteriófago normal y B = bacteriófago después de la contracción de la vaina

  • Micrografía electrónica de transmisión del bacteriófago colifago T4 cortesía de Dennis Kunkel's Microscopy.

Ejercicio: Preguntas de Think-Pair-Share

  1. Analice por qué los virus solo pueden replicarse dentro de las células vivas.
  2. La mayoría de los PRR de los PAMP virales se encuentran en las membranas de los fagosomas, no en la superficie de la célula.
    1. ¿Por qué crees que es esto?
    2. Nombre las citocinas primarias producidas en respuesta a los PAMP virales y establezca cómo funcionan para proteger contra los virus.

Resumen

  1. Dado que los virus no son células, estructuralmente son mucho más simples que las bacterias.
  2. Una partícula viral infecciosa intacta, o virión, consta de un genoma, una cápside y tal vez una envoltura.
  3. Los virus poseen ADN o ARN como genoma.
  4. El genoma generalmente está rodeado por una capa de proteína llamada cápside compuesta de subunidades de proteína llamadas capsómeras.
  5. Algunos virus consisten en no más de un genoma rodeado por una cápside y se denominan nucleocápside o virus desnudos.
  6. La mayoría de los virus animales también tienen una envoltura que rodea una nucleocápside helicoidal o poliédrica que generalmente se deriva de las membranas de la célula huésped mediante un proceso de gemación y se denominan virus con envoltura.
  7. Se utilizan proteínas o glicoproteínas específicas en la superficie viral para unir virus a la superficie de su célula huésped.
  8. El ácido nucleico viral funciona como un patrón molecular asociado a patógenos (PAMP).
  9. La unión de los PAMP virales a los receptores de reconocimiento de patrones de la célula huésped (PRR) desencadena la síntesis y secreción de citocinas antivirales llamadas interferones de tipo 1 que bloquean la replicación viral dentro de las células huésped infectadas.

7.10: Estructura del virus

En realidad, es una representación del virus VIH, el virus que causa el SIDA. Todos los pequeños & ldquoknobs & rdquo en el exterior del virus ayudan a darle estructura al virus. Y es esta estructura la que debe ser identificada por una vacuna.


SARS-CoV-2: estructura, biología y desarrollo terapéutico basado en la estructura

La pandemia del nuevo coronavirus 2, síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV-2), ha planteado grandes amenazas al mundo en muchos aspectos. Aún no se dispone de enfoques terapéuticos y preventivos eficaces, incluidos medicamentos y vacunas, aunque están en desarrollo. La comprensión integral de la lógica de vida del SARS-CoV-2 y la interacción del virus con los huéspedes son de fundamental importancia en la lucha contra el SARS-CoV-2. En esta revisión, resumimos brevemente los avances actuales en la investigación del SARS-CoV-2, incluida la situación epidémica y las características epidemiológicas de la enfermedad causada COVID-19. Además, discutimos la biología del SARS-CoV-2, incluido el origen, la evolución y el mecanismo de reconocimiento del receptor del SARS-CoV-2. Y en particular, presentamos las estructuras proteicas del SARS-CoV-2 y el desarrollo de terapias basadas en la estructura, incluidos anticuerpos, compuestos antivirales y vacunas, e indicamos las limitaciones y perspectivas de la investigación del SARS-CoV-2. Deseamos que la información proporcionada por esta revisión pueda ser útil para la batalla mundial contra la infección por SARS-CoV-2.

Palabras clave: anticuerpos compuestos antivirales estructura proteica síndrome respiratorio agudo severo coronavirus 2 vacunas.

Copyright © 2020 Wang, Zhao, Gao, Gao, Wang y Cao.

Declaracion de conflicto de interes

Los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran interpretarse como un posible conflicto de intereses.


10.3: Estructura viral - Biología

Journal of Virology & amp Antiviral Research publica contribuciones originales de todas las secciones sobre virus, agentes similares a virus, infecciones virales de humanos, animales, plantas y bacterias junto con estudios de investigación antivirales. Cubre una amplia gama de temas relacionados con virus recién descubiertos, estudios sobre estructura viral y estudios de interacciones de virus con células, organismos y poblaciones hospedantes.

Tópicos cubiertos

Journal of Virology & amp Antiviral Research presenta artículos sobre todos los aspectos de la estructura viral y los tipos virales, estudios inmunológicos virales como la interacción huésped-virus, defensas del huésped, estudios de replicación y maduración de virus, etc. y diferentes tipos de enfermedades asociadas a virus, estudios de oncología viral antivirales. estudios sobre enfermedades cancerígenas y enfermedades virales normales referencias especiales al VIH, virus de la hepatitis junto con medicamentos antivirales estudios sobre validación, impactos inmunológicos en el hospedador y escenario actual sobre estructura viral, genética viral, aparición de diferentes tipos de virus en el escenario actual .

La revista sigue el proceso de revisión por pares doble ciego y la primera revisión inicial dentro de los 21 días posteriores a la fecha de envío del manuscrito. Los manuscritos enviados por los autores serán evaluados a través del sistema de seguimiento editorial por editores y revisores de experiencia particular en el mismo campo para garantizar que los artículos publicados sean de alta calidad con información y datos precisos y confiables, que reflejen una erudición sólida. Los editores pueden gestionar todo el proceso de envío, revisión, revisión y publicación, sin embargo, se requiere la aprobación de al menos dos revisores independientes seguida de la decisión del editor para la aceptación de cualquier manuscrito citable.

Los autores pueden enviar su manuscrito a través de https://www.scholarscentral.org/submissions/virology-antiviral-research.html. Si los autores encuentran alguna dificultad para enviar su manuscrito, pueden enviarlo por correo electrónico a [email protected]

Virología clínica

La virología clínica es una subdivisión de la metodología viral que se ocupa de los aspectos clínicos de las condiciones clínicas inducidas por virus. Incluye el estudio de la resistencia de virus en tratamiento antiviral mediante secuenciación del genoma viral y patogénesis viral.

Defensas del anfitrión

La defensa del huésped es la primera línea de defensa contra la propia infección, protege contra la que incluye la barrera natural, la infección inespecífica y la respuesta específica. Durante la patogenia que son dos factores que son la virulencia del virus y la susceptibilidad del hospedador.

Interacción host-virus

La visualización del virus muestra más especificidad hacia la interacción del virus del huésped. El virus interactúa con muchas actividades celulares de la célula huésped para lograr el ciclo de replicación que da como resultado la interacción del patógeno del huésped entre sí. Hay muchos impactos inmunológicos que estudiar para comprender la interacción del virus huésped.

Enfermedades virales

Las enfermedades virales ocurren en el cuerpo del organismo invadido por virus patógenos o viriones o priones infecciosos. Las enfermedades virales son muy comunes como el resfriado común, la influenza, el sida y la rabia, etc.

Genética viral

La genética viral es un estudio de los genes hereditarios presentes en particular que son responsables de la infección viral, como la replicación de la estructura del genoma y algunas proteínas que juegan un papel importante en la patogénesis viral.

Inmunologia viral

Es una rama amplia de la ciencia médica que se ocupa de los impactos inmunológicos de la patogénesis viral junto con la interacción del huésped. La inmunología viral se ocupa de los efectos inmunológicos sobre la interacción del huésped.

Infección viral

La infección viral es una enfermedad que puede ser causada por diferentes tipos de virus, como el virus de la influenza, que es el más conocido. La mayor parte de la infección se propaga a través de los vectores, el modo indirecto o el modo directo de transmisión.

Proteómica viral

El virus se ajusta e interactúa continuamente con el entorno del huésped a través de la replicación y la patogénesis. Tanto las infecciones por ADN como por ARN codifican proteínas multifuncionales que colaboran con las proteínas de la célula huésped y las ajustan. La proteómica viral es una investigación de reciente aparición en la que se estudia la estructura y función de la proteína viral.

Terapia viral

También se conoce como viroterapia en el que se utilizan virus no patógenos que ayudan a administrar un gen de interés o genes terapéuticos virales en la célula huésped sin dañar la célula o tejido huésped.

Vectores virales

Los vectores virales que se utilizan como vehículo en la terapia génica, que es inserta genes físicos en la célula huésped, suministran el gen corregido en el proceso de la terapia génica. Algunos de los cuales son vectores son el adenovirus, el virus alfa, el virus del herpes y el virus de la vacuna.

La palabra hepatitis derivada de la palabra griega hepar significa hígado titis significa inflamación. Las enfermedades de la hepatitis son las segundas más mortales después del SIDA. La hepatitis es un virus que ataca el sistema inmunológico del hígado y conduce a la inflamación del hígado.

Virus / retrovirus del VIH

El virus del VIH es un organismo causante de la enfermedad más mortal del mundo llamada SIDA. El virus de la inmunodeficiencia humana es un retrovirus que posee el ARN tiene un material genético en el componente del genoma.

Tratamiento viral

La mayoría de las infecciones virales son difíciles de tratar porque no tienen ninguna vacuna y los anticuerpos no muestran un impacto sobre los virus. En el momento de la infección se trata con fármacos bloqueando el modo de replicación mediante la detención de las enzimas ARN polimerasa o ADN polimerasa que son el papel principal para la replicación viral.

Medicamentos anti-virales

Los medicamentos antivirales son una clasificación amplia de medicamentos de infección viral cuya capacidad disminuye la capacidad de replicación del virus para reproducirse, a diferencia de los anticuerpos, nunca destruyen el patógeno en lugar de disminuir o inhibir el desarrollo.

Investigación sobre el SIDA

La investigación del SIDA es una investigación fundamental en el estudio de la prevención, la cura y el tratamiento, también se concentra en la estructura y rehabilitación del organismo causante.

Investigación anti-viral

La investigación antiviral es una clasificación amplia de la investigación de virus que cubre el desarrollo de vacunas de medicamentos, los impactos inmunológicos de los medicamentos virales en el organismo huésped y también las inmunoterapias de virus de plantas y animales.

Técnicas anti-virales modernas

El antiguo método convencional de una técnica antiviral consiste en inhibir la función de la enzima ARN o ADN polimerasa, que es la suela principal para la replicación. La técnica anti-viral moderna tiene como objetivo diseñar proteínas virales o partes o proteínas que puedan desactivarse.

Tecnología de interferencia de ARN

La tecnología de interferencia de ARN es un fenómeno natural que tiene como resultado el silenciamiento de la función genética. En investigación proteína que ya no impacta en la transferencia genética. El fenómeno de la tecnología de interferencia del ARN en el tratamiento viral es prevenir o silenciar el gen extraño para que se exprese hacia la patogénesis viral.


La estructura del SARS-CoV-2

Los coronavirus pertenecen a la subfamilia Coronavirinae en la familia de Coronaviridae y la subfamilia contiene cuatro géneros: Alfacoronavirus, Betacoronavirus, Gammacoronavirus, y Deltacoronavirus. El genoma de los CoV (27 & # x201332 kb) es un ARN monocatenario de sentido positivo (+ ssRNA) que es más grande que cualquier otro virus de ARN. La proteína de la nucleocápside (N) formó la cápside fuera del genoma y el genoma está más empaquetado por una envoltura que está asociada con tres proteínas estructurales: proteína de membrana (M), proteína de punta (S) y proteína de envoltura (E) (Brian y Baric, 2005). Como miembro de la familia de los coronavirus, el tamaño del genoma del SARS-CoV-2 que se secuenció recientemente es de aproximadamente 29,9 kb (Lu R. et al., 2020). El SARS-CoV-2 contiene cuatro proteínas estructurales (S, E, M y N) y dieciséis proteínas no estructurales (nsp1 & # x221216). Nsp1 media el procesamiento y la replicación del ARN. Nsp2 modula la vía de señalización de supervivencia de la célula huésped. Se cree que Nsp3 separa la proteína traducida. Nsp4 contiene el dominio transmembrana 2 (TM2) y modifica las membranas del RE. Nsp5 participa en el proceso de poliproteína durante la replicación. Nsp6 es un presunto dominio transmembrana. La presencia de nsp7 y nsp8 aumentó significativamente la combinación de nsp12 y ARN plantilla-cebador. Nsp9 funciona como una proteína de unión a ssRNA. Nsp10 es fundamental para la metilación de la capa de ARNm virales. Nsp12 contiene la ARN polimerasa dependiente de ARN (RdRp), que es una composición crítica de la replicación / transcripción del coronavirus. Nsp13 se une con ATP y el dominio de unión a zinc en nsp13 participa en el proceso de replicación y transcripción. Nsp14 es un dominio de exoribonucleasa de corrección de pruebas. Nsp15 tiene actividad endoribonucleasa dependiente de Mn (2 +). Nsp16 es una 2 & # x2019-O-ribosa metiltransferasa (Naqvi et & # xa0al., 2020). Un estudio muestra que existen algunos efectos mediados por NSP sobre el empalme, la traducción y el tráfico de proteínas para inhibir las defensas del huésped. Tras la infección por SARS-CoV-2, NSP16 se une a los dominios de reconocimiento de ARNm de los ARNrn U1 y U2 para suprimir el corte y empalme del ARNm. NSP1 se une al ARN ribosómico 18S en el canal de entrada del ARNm del ribosoma para interferir con la traducción del ARNm. NSP8 y NSP9 se unen al ARN 7SL que se localiza en la partícula de reconocimiento de señales para interrumpir el tráfico de proteínas a la membrana celular (Banerjee et & # xa0al., 2020). Las siguientes son algunas proteínas del SARS-CoV-2 que pueden servir potencialmente como dianas de fármacos antivirales en función de sus estructuras.

Glicoproteína de pico

La entrada de coronavirus en las células huésped está mediada por la glicoproteína de pico (proteína S) (Li et & # xa0al., 2003 Li et & # xa0al., 2005 Li, 2016). Las glucoproteínas de pico transmembrana forman homotrímeros que sobresalen de la superficie viral. La glicoproteína de pico es fundamental para la entrada de los coronavirus, por lo que es un objetivo antivírico atractivo. La proteína S está compuesta por dos subunidades funcionales, incluidas las subunidades S1 y S2. La subunidad S1 consta de dominio N-terminal (NTD) y dominio de unión al receptor (RBD). La función de la subunidad S1 es unirse al receptor en la célula huésped. La subunidad S2 contiene péptido de fusión (FP), repetición de heptada 1 (HR1), hélice central (CH), dominio conector (CD), repetición de heptada 2 (HR2), dominio transmembrana (TM) y cola citoplásmica (CT) (Figura 1A ). La función de la subunidad S2 es fusionar las membranas de los virus y las células huésped. El sitio de escisión en el borde entre las subunidades S1 y S2 se denomina sitio de escisión de proteasa S1 / S2. Para todos los coronavirus, las proteasas del huésped escinden la glicoproteína de pico en el sitio de escisión S2 & # x2019 para activar las proteínas, lo cual es fundamental para fusionar las membranas de los virus y las células del huésped a través de cambios conformacionales irreversibles. Los glicanos ligados a N son fundamentales para el plegado adecuado, neutralizar los anticuerpos y decorar ampliamente los trímeros de proteínas de las espigas (Walls et & # xa0al., 2020 Wrapp et & # xa0al., 2020).

Figura 1 (A) Esquema de la estructura primaria de la proteína espiga del SARS-CoV-2. Los diferentes dominios se muestran con diferentes colores. SS, NTD de secuencia única, dominio N-terminal RBD, dominio de unión al receptor SD1, subdominio 1 SD2, subdominio 2 S1 / S2, sitio de escisión de proteasa S1 / S2 S2 & # x2019, S2 & # x2019 sitio de escisión de proteasa FP, péptido de fusión HR1, repetición de heptada 1 CH, hélice central CD, dominio conector HR2, repetición de heptada 2 TM, dominio transmembrana CT, cola citoplásmica. El sitio de escisión de la proteasa está indicado por flechas. (B) Estructura crio-EM de la proteína de pico SARS-CoV-2. El estado cerrado (PDB: 6VXX) de la glicoproteína S del SARS-CoV-2 (izquierda) el estado abierto (PDB: 6VYB) de la glicoproteína S del SARS-CoV-2 (derecha).

En general, la estructura de la proteína SARS-CoV-2 S se asemeja a la proteína SARS-CoV S estrechamente relacionada. En la conformación de prefusión, las subunidades S1 y S2 permanecen unidas de forma no covalente. Los diferentes tipos de coronavirus utilizan dominios especiales en la subunidad S1 para reconocer diferentes receptores de entrada. En el caso de SARS-CoV y SARS-CoV-2, para entrar en las células del huésped, reconocen el receptor de la enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2) en las células del huésped. vía el dominio de unión al receptor (RBD). La proteína S tiene dos formas de estructura, incluido el estado cerrado y el estado abierto (Figura 1B). En el estado cerrado, los tres motivos de reconocimiento no sobresalen de la interfaz formada por tres protómeros de proteína de punta. En el estado abierto, el RBD está en la conformación & # x201cup & # x201d. El estado abierto es necesario para la fusión del SARS-CoV-2 y las membranas de la célula huésped, facilitando así que el SARS-CoV-2 entre en las células huésped (Walls et & # xa0al., 2020).

HR1 y HR2

El haz de seis hélices (6-HB) está formado por HR1 y HR2 y es fundamental para la fusión de membranas, que está dominada por la proteína de pico de SARS-CoV o SARS-CoV-2, lo que convierte a HR1 y HR2 en un objetivo farmacológico atractivo (Liu et & # xa0al., 2004 Xia et al., 2020b). La diferencia entre el 6-HB del SARS-CoV-2 y el SARS-CoV puede estabilizar la conformación 6-HB del SARS-CoV-2 y mejorar las interacciones entre HR1 y HR2, lo que da como resultado un aumento de la infectividad del SARS-CoV-2. El complejo HR1-L6-HR2 contiene la mayoría de las partes del dominio HR1 y HR2 y un enlazador (Xia et al., 2020a). Esta proteína de fusión presenta una forma de varilla y es la estructura estándar de 6-HB. Tres dominios HR1 se unen para formar un trímero de bobina en espiral de manera paralela. Tres dominios HR2 se entrelazan alrededor del centro de la bobina enrollada de una manera antiparalela que está mediada principalmente por la fuerza hidrófoba. Los residuos hidrofóbicos en el domian HR2 se unen con el surco hidrofóbico formado por cada dos hélices HR1 vecinas. La estructura general de 6-HB de SARS-CoV y SARS-CoV-2 es muy similar, especialmente la subunidad S2 (Xia et al., 2020a). La identidad de HR1 de SARS-CoV y SARS-CoV-2 es del 96% y HR2 es del 100%. Hay ocho residuos distintos en la región del núcleo de fusión del dominio HR1. En el dominio HR1 del SARS-CoV, la lisina 911 se une al ácido glutámico 1176 en el dominio HR2 a través de un puente salino. En cuanto al SARS-CoV-2, el puente salino se reemplaza por un fuerte enlace de hidrógeno entre la serina 929 en HR1 y la serina 1.196 en HR2. En el SARS-CoV HR1, la glutamina 915 no tiene interacción con HR2. Sin embargo, en cuanto al SARS-CoV-2, existe un puente salino entre la lisina 933 en HR1 y la asparagina 1.192 en HR2 (Xia et al., 2020a). En el SARS-CoV, existe un puente salino débil entre el ácido glutámico 918 en HR1 y la arginina 1.166. Sin embargo, el ácido aspártico 936 en el HR1 de SARS-CoV-2 se une a la arginina 1.158 a través de un puente salino. En el SARS-CoV, la lisina 929 se une al ácido glutámico 1.163 en el dominio HR2 a través de un puente salino y la treonina 925 no se une al ácido glutámico 1.163. Sin embargo, la serina 943 y la lisina 947 en el SARS-CoV-2 se unen al ácido glutámico 1.182 en HR2 a través de un enlace de hidrógeno y un puente salino. Estas diferencias pueden resultar en una mayor infectividad de SARS-CoV-2 (Xia et al., 2020a).

El dominio de enlace del receptor (RBD)

La proteína de pico de SARS-CoV-2 contiene un RBD que reconoce específicamente al receptor ACE2. La RBD es un objetivo crítico para los compuestos antivirales y los anticuerpos (Letko et & # xa0al., 2020). SARS-CoV-2 RBD incluye dos dominios estructurales: el núcleo y los subdominios externos. El subdominio central está muy conservado. Está compuesto por cinco hebras & # x3b2 dispuestas de manera antiparalela y un enlace disulfuro entre dos hebras & # x3b2. El subdominio externo está dominado principalmente por el bucle estabilizado por el enlace disulfuro (Wang Q. et al., 2020). El núcleo SARS-CoV-2 RBD consta de cinco láminas & # x3b2 dispuestas de manera antiparalela y conectadas por bucles y hélices cortas. Entre las cadenas antiparalelas & # x3b24 y & # x3b27 se encuentra el motivo de unión al receptor (RBM) que consta de bucles y hélices & # x3b1, así como cadenas cortas & # x3b25 y & # x3b26. RBM contiene la mayoría de los sitios de unión para SARS-CoV-2 y ACE2. Ocho de los nueve residuos de Cys en el RBD forman cuatro pares de enlaces disulfuro. Tres enlaces disulfuro se encuentran en el núcleo de RBD, lo que mejora la estabilización de la hoja & # x3b2 (C336-C361, C379-C432 y C391-C525). Con respecto al enlace disulfuro restante (C480-C488), promueve las conexiones entre los bucles en RBM. El dominio de peptidasa en el N-terminal de ACE2 contiene el sitio de unión, que está formado por dos lóbulos de RBM y ACE2. RBM se une al lóbulo pequeño del ACE2 en la parte inferior. La superficie de RBM es ligeramente cóncava hacia adentro para dejar espacio para ACE2 (Lan et & # xa0al., 2020).

Un estudio obtuvo una estructura de resolución 3,5 & # xc5 del trímero de proteína de pico con un RBD en la conformación & # x201cup & # x201d (estado accesible al receptor). La unión del receptor desestabiliza la estructura de prefusión, desencadenada por este proceso, la subunidad S1 se disocia y la subunidad S2 se repliega en una conformación posfusión estable, que ha sido capturada en SARS-CoV. La RBD atraviesa transiciones conformacionales como una bisagra, lo que lleva al ocultamiento o exposición de los determinantes de la proteína de la espiga para activar un receptor de la célula huésped. Este proceso formará los dos estados siguientes: conformación & # x201cdown & # x201d y conformación & # x201cup & # x201d. En la conformación & # x201cdown & # x201d, el SARS-CoV-2 no pudo reconocer el ACE2 en las células huésped. La estructura de SARS-CoV-2 es muy similar a la de SARS-CoV. Una de las diferencias más grandes está en la conformación hacia abajo, el SARS-CoV RBD se empaqueta firmemente contra el DTN del protómero vecino, mientras que el ángulo del SARS-CoV-2 RBD está cerca de la cavidad central del trímero de proteína de la espiga. Cuando se alinearon los dominios estructurales individuales correspondientes a SARS-CoV-2 y SARS-CoV, se observaron estructuras muy similares (Wrapp et & # xa0al., 2020). La estructura general de SARS-CoV-2 RBM también es casi idéntica a la identificada en estudios anteriores, con solo una diferencia observada en el extremo distal (Lan et & # xa0al., 2020).

Complejo RBD-ACE2

Es importante comprender el mecanismo de reconocimiento del receptor del SARS-CoV-2, que determina la infectividad, el rango de hospedadores y la patogenia del virus. Tanto el SARS-CoV-2 como el SARS-CoV reconocen el ACE2 en humanos (Li et & # xa0al., 2003 Li et & # xa0al., 2005 Sia et & # xa0al., 2020). Se ha determinado la estructura cristalina de SARS-CoV-2 RBD unido con ACE2 (Figura 2A). El modo de combinación general del complejo SARS-CoV-2 RBD-ACE2 es muy similar al del complejo SARS-CoV RBD-ACE2 identificado en un estudio anterior. Diecisiete de los 20 residuos de ACE2 que interactúan con el RBD de SARS-CoV y SARS-CoV-2 son iguales.

Figura 2 (A) La estructura general de SARS-CoV-2 RBD se unió a ACE2. ACE2 es de color cian, el núcleo de SARS-CoV-2 RBD es de color verde (PDB: 6M0J). (B) Diferentes interacciones entre SARS-CoV-2 RBD / ACE2 (PDB: 6M0J) y SARS-CoV RBD / ACE2 (PDB: 2AJF) que contribuyen a la diferencia de afinidad de unión. ACE2 es de color cian. El RBD de SARS-CoV-2 es verde y el RBD de SARS-CoV es naranja. El enlace de hidrógeno entre Q493 y E35 está representado por líneas discontinuas. El puente de sal entre ACE2 D30 y SARS-CoV-2 K417 está representado por líneas discontinuas.

Sin embargo, existen interacciones sutiles distintas de ACE2 que conducen a la variación en la afinidad de unión entre SARS-CoV-2 y SARS-CoV RBD a ACE2. La afinidad entre ACE2 y SARS-CoV-2 es mayor que la afinidad entre ACE2 y SARS-CoV. En la posición F486 / L472, SARS-CoV-2 F486 interactúa con ACE2 Q24, L79, M82 e Y83, y SARS-CoV L472 solo interactúa con ACE2 L79 y M82. En la posición Q493 / N479, SARS-CoV-2 Q493 interactúa con ACE2 K31, E35 y H34. Existe un enlace de hidrógeno entre Q493 y E35. El SARS-CoV N479 solo interactúa con ACE2 H34. Fuera de SARS-CoV-2 RBM, hay un puente de sal entre ACE2 D30 y SARS-CoV-2 K417. Sin embargo, el SARS-CoV V404 no participó en la unión de ACE2 (Lan et & # xa0al., 2020) (Figura 2B).

Otro estudio muestra la estructura cristalina del complejo quimérico SARS-CoV-2 RBD-ACE2. El RBD quimérico construido que contiene el RBM del SARS-CoV-2 como la unidad relacionada con la función y el núcleo del RBD del SARS-CoV como el armazón de cristalización podría facilitar la cristalización. El bucle lateral de SARS-CoV-2 (alejado de la interfaz de enlace principal) mantiene un puente salino entre RBD R426 y ACE2 E329. Este bucle lateral podría facilitar aún más la cristalización. La estructura del complejo quimérico RBD-ACE2 es muy similar con el complejo RBD-ACE2 de tipo salvaje como se introdujo anteriormente, especialmente en la región RBM. El SARS-CoV-2 RBM forma una superficie que es suavemente cóncava y se une a la estructura en forma de garra en la superficie exterior expuesta de ACE2. Existe un puente N-O entre R439 del RBD quimérico y E329 de ACE2. El puente N-O no es natural, resultado de la quimera basada en el SARS-CoV. La afinidad de unión entre RBD quimérico y ACE2 es mayor que la afinidad de unión entre RBD de SARS-CoV-2 de tipo salvaje y ACE2. Es obvio que la afinidad de unión a ACE2 del SARS-CoV RBD es menor que el SARS-CoV-2 y los RBD quiméricos (Shang et & # xa0al., 2020).

Sitio de escisión de la furina de la proteína de la espiga

El límite S1 / S2 de la proteína pico del SARS-CoV-2 constituye el sitio de escisión de la proteasa de la célula hospedadora similar a la subtilisina, la furina, que distingue al SARS-CoV-2 S del SARS-CoV S. El sitio de escisión de la furina incluye cuatro residuos ( P681, R682, R683 y A684) y se encuentra en el límite entre la subunidad S1 y S2. Funcionalmente, R682, R683, A684 y R685 constituyen el sitio de escisión de furina polibásica mínima, RXYR, donde X o Y es una arginina o lisina cargada positivamente (Li, 2020). Dichos sitios de escisión polibásica no están presentes en los betacoronavirus del grupo 2b relacionados con el SARS-CoV y el SARS-CoV que se encuentran en los seres humanos, que pueden contribuir a la alta virulencia del SARS-CoV-2 como resultado de las furina proteasas necesarias para la activación proteolítica de S son expresado ubicuamente en humanos, proporcionando tropismo tisular expandido y patogénesis (Sternberg y Naujokat, 2020).

Además, un estudio ha generado un virus mutante del SARS-CoV-2 que carece del sitio de escisión de la furina (& # x3b4PRRA) en la proteína de la espiga. El virus mutante había reducido el procesamiento de la proteína de pico en las células Vero E6 en comparación con el virus SARS-CoV-2 de tipo salvaje. El virus mutante también había reducido la replicación en las células respiratorias humanas Calu3 y había atenuado la enfermedad en un modelo de patogénesis de hámster. Estos resultados mostraron un papel importante del sitio de escisión de la furina en la replicación y patogénesis del SARS-CoV-2 (Johnson et & # xa0al., 2020).

La ARN polimerasa dependiente de ARN (RdRp)

La replicación de SARS-CoV-2 está dominada por un complejo de replicación / transcripción que contiene varias subunidades. El complejo está compuesto por proteínas no estructurales virales (nsp) y el núcleo del complejo es RdRp en nsp12. Las funciones del nsp12 requieren factores accesorios, incluidos nsp7 y nsp8. La Nsp12 sola tiene poca actividad. La presencia de nsp7 y nsp8 aumentó significativamente la combinación de nsp12 y ARN plantilla-cebador. The crystal structure of nsp12-nsp7-nsp8 complex has been identified (Figure 3A). RNA-dependent RNA polymerase, which catalyzes the synthesis of viral RNA, is a critical composition of coronavirus replication/transcription. RdRp is an important antiviral drug target. The structures on the SARS-CoV-2 nsp12 contain a nidovirus-unique N-terminal extension domain which adopts a nidovirus RdRp-associated nucleotidyltransferase (NiRAN) structure and a “right hand” RNA-dependent RNA polymerase domain in the C-terminal. These two domains are connected by an interface domain. A unique β-hairpin is observed in the N-terminal extension domain. The β-hairpin forms close contacts to stabilize the overall structure. The RNA-dependent RNA polymerase domain contains three subdomains: a fingers subdomain, a palm subdomain, and a thumb subdomain. The β-hairpin structure inserts into the clamping groove formed by the palm subdomain and the NiRAN domain. In the plam domain, polymerase motifs A−G which is highly conserved form the active site chamber of SARS-CoV-2 RdRp domain. The RdRp motifs mediate template-directed RNA synthesis in a central cavity through four positively charged solvent-accessible paths, including template entry path, primer entry path, the NTP entry channel, and the nascent strand exit path (Gao Y. et al., 2020). A recent study shows the cryo-electron microscopic structure of the nsp12-nsp7-nsp8 complex in active form (Yin etਊl., 2020) (Figure 3B).

figura 3 (A) The structure of nsp12-nsp7-nsp8 complex. Color marks: nsp7, magenta nsp8-1 and nsp8-2, grey β-hairpin, cyan NiRAN, yellow the interface, orange the fingers domain, blue the palm domain, red the thumb domain, green. (PDB: 6M71) (B) The structure of the SARS-CoV-2 RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) in active form. The nsp12-nsp7-nsp8 complex bound to the template-primer RNA. (PDB: 7BV2).

When added a minimal RNA hairpin substrate, the complex nsp12-nsp7-nsp8 exhibited RNA-dependent RNA extension activity. The structure of RdRp-RNA complex shows nsp12-nsp7-nsp8 complex engaged with more than two turns of duplex RNA. The RdRp-RNA structure is similar to that of the free enzyme with some unique characteristics. Compared with free enzyme, the RdRp-RNA complex contains an extended protein region in nsp8 and a protruding RNA. The subunit nsp12 binds with the first turn of RNA between its thumb subdomains and fingers subdomains. The palm subdomain contains the active site which is formed by five nsp12 motifs A𢄮. Motif C interacts with the 3’ end of RNA and includes the aspartic acid 760 and 761. The nsp12 motifs F and G lies in the fingers subdomain and have the function of positioning the RNA template. As the RNA duplex leaves the cleft of the RdRp, it forms a second helical turn, protruding from the surface of nsp12. No structural factors in the RdRp will limit RNA duplex extension. Between the α-helical extensions is the RNA duplex. The N-terminal regions, which are located in the two nsp8 subunits and are highly conserved, form the α-helical extensions. These nsp8 extensions use the positively charged residues to interact with the RNA backbones. The nsp8 could function as the “sliding poles”, sliding along the protruding RNA to prevent RdRp from dissociating prematurely during replication. The triphosphate-binding site is conserved. Residues D623, S682, and N691 are likely to interacts with the 2’-OH group of the triphosphate (NTP), making the RdRp special for the synthesis of RNA instead of DNA (Hillen etਊl., 2020).

The Main Protease

The main protease (M pro ) of SARS-CoV-2 plays a pivotal role in mediating the replication and transcription of viral gene. M pro hydrolyzes the polyprotein at least eleven conserved sites and begins with cleaving the pp1a and pp1b of M pro . Considering the absence of closely related homologues in humans, together with the functional importance of the main protease in the life cycle of the virus, the main protease is an attractive antiviral target. The crystallographic symmetry shows that M pro forms a homodimer (protomer A and protomer B). Each protomer contains three subdomains, namely domain I, domain II, and domain III. A long loop connects domain II and domain III. The cleft between domain I and domain II lies the substrate-binding pocket, which features the catalytic dyad residues His41 and Cys145 (Jin et al., 2020a). As to all the coronaviruses, the active sites of M pro are highly conserved and consists of four sites: S1’, S1, S2, and S4. In the S1’ site, the thiol of a cysteine anchors inhibitors by a covalent linkage. For inhibitors, the covalent linkage is critical to maintain its antiviral activity (Yang etਊl., 2005).

The spike protein is critical in the process of SARS-CoV-2 invading host cells. The main protease and RdRp have important functions in the replication of SARS-CoV-2. As a result, the spike protein, main protease, and RdRp are important anti-SARS-CoV-2 drug targets, providing ideas for the development of antibodies, drugs, and vaccines.


Virus Replication

Steve Gschmeissner/Science Photo Library/Getty Images

Viruses are not capable of replicating their genes by themselves. They must rely on a host cell for reproduction. In order for viral replication to occur, the virus must first infect a host cell. The virus injects its genetic material into the cell and uses the cell's organelles to replicate. Once a sufficient number of viruses have been replicated, the newly formed viruses lyse or break open the host cell and move on to infect other cells. This type of viral replication is known as the lytic cycle.

Some viruses can replicate by the lysogenic cycle. In this process, viral DNA is inserted into the DNA of the host cell. At this point, the viral genome is known as a prophage and enters a dormant state. The prophage genome is replicated along with the bacterial genome when the bacteria divide and is passed along to each bacterial daughter cell. When triggered by changing environmental conditions, the prophage DNA may become lytic and start replicating viral components within the host cell. Viruses that are non-enveloped are released from the cell by lysis or exocytosis. Enveloped viruses are commonly released by budding.


Características generales

Viruses occupy a special taxonomic position: they are not plants, animals, or prokaryotic bacteria (single-cell organisms without defined nuclei), and they are generally placed in their own kingdom. In fact, viruses should not even be considered organisms, in the strictest sense, because they are not free-living—i.e., they cannot reproduce and carry on metabolic processes without a host cell.

All true viruses contain nucleic acid—either DNA (deoxyribonucleic acid) or RNA (ribonucleic acid)—and protein. The nucleic acid encodes the genetic information unique for each virus. The infective, extracellular (outside the cell) form of a virus is called the virion. It contains at least one unique protein synthesized by specific genes in the nucleic acid of that virus. In virtually all viruses, at least one of these proteins forms a shell (called a capsid) around the nucleic acid. Certain viruses also have other proteins internal to the capsid some of these proteins act as enzymes, often during the synthesis of viral nucleic acids. Viroids (meaning “viruslike”) are disease-causing organisms that contain only nucleic acid and have no structural proteins. Other viruslike particles called prions are composed primarily of a protein tightly complexed with a small nucleic acid molecule. Prions are very resistant to inactivation and appear to cause degenerative brain disease in mammals, including humans.

Viruses are quintessential parasites they depend on the host cell for almost all of their life-sustaining functions. Unlike true organisms, viruses cannot synthesize proteins, because they lack ribosomes (cell organelles) for the translation of viral messenger RNA (mRNA a complementary copy of the nucleic acid of the nucleus that associates with ribosomes and directs protein synthesis) into proteins. Viruses must use the ribosomes of their host cells to translate viral mRNA into viral proteins.

Viruses are also energy parasites unlike cells, they cannot generate or store energy in the form of adenosine triphosphate (ATP). The virus derives energy, as well as all other metabolic functions, from the host cell. The invading virus uses the nucleotides and amino acids of the host cell to synthesize its nucleic acids and proteins, respectively. Some viruses use the lipids and sugar chains of the host cell to form their membranes and glycoproteins (proteins linked to short polymers consisting of several sugars).

The true infectious part of any virus is its nucleic acid, either DNA or RNA but never both. In many viruses, but not all, the nucleic acid alone, stripped of its capsid, can infect (transfect) cells, although considerably less efficiently than can the intact virions.

The virion capsid has three functions: (1) to protect the viral nucleic acid from digestion by certain enzymes (nucleases), (2) to furnish sites on its surface that recognize and attach (adsorb) the virion to receptors on the surface of the host cell, and, in some viruses, (3) to provide proteins that form part of a specialized component that enables the virion to penetrate through the cell surface membrane or, in special cases, to inject the infectious nucleic acid into the interior of the host cell.


Harnessing the Power of Viruses

Harnessing the Power of Viruses explores the application of scientific knowledge about viruses and their lives to solve practical challenges and further advance molecular sciences, medicine and agriculture. The book contains virus-based tools and approaches in the fields of: i) DNA manipulations in vitro and in vivo ii) Protein expression and characterization and iii) Virus- Host interactions as a platform for therapy and biocontrol are discussed. It steers away from traditional views of viruses and technology, focusing instead on viral molecules and molecular processes that enable science to better understand life and offer means for addressing complex biological phenomena that positively influence everyday life.

The book is written at an intermediate level and is accessible to novices who are willing to acquire a basic level of understanding of key principles in molecular biology, but is also ideal for advanced readers interested in expanding their biological knowledge to include practical applications of molecular tools derived from viruses.

Harnessing the Power of Viruses explores the application of scientific knowledge about viruses and their lives to solve practical challenges and further advance molecular sciences, medicine and agriculture. The book contains virus-based tools and approaches in the fields of: i) DNA manipulations in vitro and in vivo ii) Protein expression and characterization and iii) Virus- Host interactions as a platform for therapy and biocontrol are discussed. It steers away from traditional views of viruses and technology, focusing instead on viral molecules and molecular processes that enable science to better understand life and offer means for addressing complex biological phenomena that positively influence everyday life.

The book is written at an intermediate level and is accessible to novices who are willing to acquire a basic level of understanding of key principles in molecular biology, but is also ideal for advanced readers interested in expanding their biological knowledge to include practical applications of molecular tools derived from viruses.


10.3: Viral Structure - Biology

Viruses are not plants, animals, or bacteria, but they are the quintessential parasites of the living kingdoms. Although they may seem like living organisms because of their prodigious reproductive abilities, viruses are not living organisms in the strict sense of the word.

Without a host cell, viruses cannot carry out their life-sustaining functions or reproduce. They cannot synthesize proteins, because they lack ribosomes and must use the ribosomes of their host cells to translate viral messenger RNA into viral proteins. Viruses cannot generate or store energy in the form of adenosine triphosphate (ATP), but have to derive their energy, and all other metabolic functions, from the host cell. They also parasitize the cell for basic building materials, such as amino acids, nucleotides, and lipids (fats). Although viruses have been speculated as being a form of protolife, their inability to survive without living organisms makes it highly unlikely that they preceded cellular life during the Earth's early evolution. Some scientists speculate that viruses started as rogue segments of genetic code that adapted to a parasitic existence.

All viruses contain nucleic acid, either DNA or RNA (but not both), and a protein coat, which encases the nucleic acid. Some viruses are also enclosed by an envelope of fat and protein molecules. In its infective form, outside the cell, a virus particle is called a virion. Each virion contains at least one unique protein synthesized by specific genes in its nucleic acid. Viroids (meaning "viruslike") are disease-causing organisms that contain only nucleic acid and have no structural proteins. Other viruslike particles called prions are composed primarily of a protein tightly integrated with a small nucleic acid molecule.

Viruses are generally classified by the organisms they infect, animals, plants, or bacteria. Since viruses cannot penetrate plant cell walls, virtually all plant viruses are transmitted by insects or other organisms that feed on plants. Certain bacterial viruses, such as the T4 bacteriophage, have evolved an elaborate process of infection. The virus has a "tail" which it attaches to the bacterium surface by means of proteinaceous "pins." The tail contracts and the tail plug penetrates the cell wall and underlying membrane, injecting the viral nucleic acids into the cell. Viruses are further classified into families and genera based on three structural considerations: 1) the type and size of their nucleic acid, 2) the size and shape of the capsid, and 3) whether they have a lipid envelope surrounding the nucleocapsid (the capsid enclosed nucleic acid).

There are predominantly two kinds of shapes found amongst viruses: rods, or filaments, and spheres. The rod shape is due to the linear array of the nucleic acid and the protein subunits making up the capsid. The sphere shape is actually a 20-sided polygon (icosahedron).

The nature of viruses wasn't understood until the twentieth century, but their effects had been observed for centuries. British physician Edward Jenner even discovered the principle of inoculation in the late eighteenth century, after he observed that people who contracted the mild cowpox disease were generally immune to the deadlier smallpox disease. By the late nineteenth century, scientists knew that some agent was causing a disease of tobacco plants, but would not grow on an artificial medium (like bacteria) and was too small to be seen through a light microscope. Advances in live cell culture and microscopy in the twentieth century eventually allowed scientists to identify viruses. Advances in genetics dramatically improved the identification process.

Capsid - The capsid is the protein shell that encloses the nucleic acid with its enclosed nucleic acid, it is called the nucleocapsid. This shell is composed of protein organized in subunits known as capsomers. They are closely associated with the nucleic acid and reflect its configuration, either a rod-shaped helix or a polygon-shaped sphere. The capsid has three functions: 1) it protects the nucleic acid from digestion by enzymes, 2) contains special sites on its surface that allow the virion to attach to a host cell, and 3) provides proteins that enable the virion to penetrate the host cell membrane and, in some cases, to inject the infectious nucleic acid into the cell's cytoplasm. Under the right conditions, viral RNA in a liquid suspension of protein molecules will self-assemble a capsid to become a functional and infectious virus.

Envelope - Many types of virus have a glycoprotein envelope surrounding the nucleocapsid. The envelope is composed of two lipid layers interspersed with protein molecules (lipoprotein bilayer) and may contain material from the membrane of a host cell as well as that of viral origin. The virus obtains the lipid molecules from the cell membrane during the viral budding process. However, the virus replaces the proteins in the cell membrane with its own proteins, creating a hybrid structure of cell-derived lipids and virus-derived proteins. Many viruses also develop spikes made of glycoprotein on their envelopes that help them to attach to specific cell surfaces.

Nucleic Acid - Just as in cells, the nucleic acid of each virus encodes the genetic information for the synthesis of all proteins. While the double-stranded DNA is responsible for this in prokaryotic and eukaryotic cells, only a few groups of viruses use DNA. Most viruses maintain all their genetic information with the single-stranded RNA. There are two types of RNA-based viruses. In most, the genomic RNA is termed a plus strand because it acts as messenger RNA for direct synthesis (translation) of viral protein. A few, however, have negative strands of RNA. In these cases, the virion has an enzyme, called RNA-dependent RNA polymerase (transcriptase), which must first catalyze the production of complementary messenger RNA from the virion genomic RNA before viral protein synthesis can occur.

The Influenza (Flu) Virus - Next to the common cold, influenza or "the flu" is perhaps the most familiar respiratory infection in the world. In the United States alone, approximately 25 to 50 million people contract influenza each year. The symptoms of the flu are similar to those of the common cold, but tend to be more severe. Fever, headache, fatigue, muscle weakness and pain, sore throat, dry cough, and a runny or stuffy nose are common and may develop rapidly. Gastrointestinal symptoms associated with influenza are sometimes experienced by children, but for most adults, illnesses that manifest in diarrhea, nausea, and vomiting are not caused by the influenza virus though they are often inaccurately referred to as the "stomach flu." A number of complications, such as the onset of bronchitis and pneumonia, can also occur in association with influenza and are especially common among the elderly, young children, and anyone with a suppressed immune system.

The Human Immunodeficiency Virus (HIV) - The virus responsible for HIV was first isolated in 1983 by Robert Gallo of the United States and French scientist Luc Montagnier. Since that time, a tremendous amount of research focusing upon the causative agent of AIDS has been carried out and much has been learned about the structure of the virus and its typical course of action. HIV is one of a group of atypical viruses called retroviruses that maintain their genetic information in the form of ribonucleic acid ( RNA ). Through the use of an enzyme known as reverse transcriptase, HIV and other retroviruses are capable of producing deoxyribonucleic acid (DNA) from RNA, whereas most cells carry out the opposite process, transcribing the genetic material of DNA into RNA. The activity of the enzyme enables the genetic information of HIV to become integrated permanently into the genome (chromosomes) of a host cell.


EVOLUTION OF CORONAVIRUS SPIKE PROTEINS

Coronavirus spikes, like other class I viral membrane fusion proteins, are amazing molecules. They single-handedly lead coronaviruses to enter host cells by first binding to a receptor on the host cell surface and then fusing the viral and host membranes. They exist in two distinct conformations: The prefusion trimeric spike contains three receptor-binding S1 heads and a trimeric membrane-fusion S2 stalk, whereas the postfusion trimeric S2 is a six-helix bundle with exposed fusion peptides. The transition of the spikes from prefusion to postfusion conformation is regulated by a variety of triggers. Both receptor recognition and membrane fusion are critical determinants of the host range and tissue tropism of coronaviruses. How have these complex structures and functions of coronavirus spikes evolved?

Structure determinations of coronavirus S1 domains provide insight into the evolution of coronavirus S1. The finding that betacoronavirus S1-NTDs have a galectin fold indicates a host origin of coronavirus S1-NTDs. The origin of coronavirus S1-CTDs is less clear. Alphacoronavirus S1-CTDs and host galectins also share some similarity in the structural topologies of their β-sandwich folds (Figura 8a), although this similarity is less significant than that between S1-NTDs and host galectins (Figura 5mi,F). β-Sandwich folds are common and stable structures, and two β-sandwich folds may result from convergent evolution with protein stability as the evolutionary driving force. However, two β-sandwich folds with related structural topologies may indicate a common evolutionary ancestor when a significant number of their constituent β-strands are connected in the same order. Thus, there is a possibility that S1-CTD and host galectins are evolutionarily related. One possible scenario is that after S1-NTD was generated through gene capture, S1-CTD was generated through gene duplication of S1-NTD (Figura 8B). S1-CTDs appear to evolve at a quickened pace, as evidenced by the different tertiary structures between alpha- and betacoronavirus S1-CTDs. This may be associated with their location on the very top of the prefusion trimeric spike (Figura 2), which is the most protruding and exposed area on virions. Hence, S1-CTDs are under heavy selective pressure to escape host immune surveillance. The resulting fast-paced evolution of S1-CTDs may have permanently erased their evolutionary traces, except for the limited information from their structural topology. Whether S1-CTDs originated from host galectins or not, the two-domain structure of S1 gives coronaviruses two potential receptor-binding domains: The more structurally and functionally conserved S1-NTD uses sugar as the fallback receptor, whereas the more aggressively evolving S1-CTD exploits novel protein receptors (Figura 8).

The structural and functional similarities between coronavirus S2 and other class I viral membrane fusion proteins are profound. These proteins all exist in prefusion and postfusion conformations. Their prefusion structures can be triggered in a number of similar ways, undergo similar conformational rearrangement, and transition to highly similar postfusion six-helix bundle structures with exposed fusion peptides. Although it cannot be completely ruled out that the same membrane fusion mechanism evolved independently in these viruses, the complexity and intricacy of this mechanism indicate that class I viral membrane fusion proteins likely share a common evolutionary ancestor.

Which function evolved first for coronaviruses: receptor recognition by S1, membrane fusion by S2, or both simultaneously? Because coronaviruses must enter cells for replication, membrane fusion is the central function of coronavirus spikes. Receptor recognition, though, can specifically attach coronaviruses to host cell surfaces and position the spikes within striking distance of target host membranes. The spike of neurotropic strain MHV-JHM can mediate receptor-independent virus entry into cells that do not express its receptor, suggesting that receptor binding can be circumvented under some extreme situations. Therefore, the primordial form of coronavirus spikes might contain S2 only (Figura 8B). Such a primordial spike might function inefficiently because the ancestral virus would have to diffuse nonspecifically to the close proximity of target cells so that membrane fusion could occur. Later, the spike would evolve a galectin-like S1-NTD through gene capture, which would enhance its efficiency in mediating virus entry. Next, the spike would evolve an S1-CTD through gene duplication of its S1-NTD or some other mechanism, further strengthening its receptor recognition function. Understanding the structure and function of coronavirus spikes and their evolution can enhance our understanding of the origin of viruses and the evolutionary relationship between viruses and host cells.


Ver el vídeo: que son los virus (Enero 2022).