Virologia - Virology

Gamma phage, um exemplo de vírus

Virologia é o estudo científico de vírus  - organismos submicroscópicos parasitas de material genético contido em uma capa protéica - e agentes semelhantes a vírus. Ele se concentra nos seguintes aspectos dos vírus: sua estrutura, classificação e evolução, suas maneiras de infectar e explorar células hospedeiras para reprodução, sua interação com a fisiologia e imunidade do organismo hospedeiro, as doenças que causam, as técnicas para isolá-los e cultivá-los e seu uso em pesquisa e terapia. A virologia é um subcampo da microbiologia .

A identificação do agente causador da doença do mosaico do tabaco como um novo patógeno por Martinus Beijerinck (1898) é agora reconhecida como o início oficial do campo da virologia como uma disciplina distinta da bacteriologia . Ele percebeu a fonte não era nem bacteriana nem fungos infecção , mas algo completamente diferente. Beijerinck usou a palavra ' vírus ' para descrever o agente misterioso em seu ' contagium vivum fluidum ' ('fluido vivo contagioso').

Estrutura e classificação de vírus

Um ramo importante da virologia é a classificação de vírus . Os vírus podem ser classificados de acordo com a célula hospedeira que infectam: vírus de animais , vírus de plantas , vírus de fungos e bacteriófagos (vírus que infectam bactérias , que incluem os vírus mais complexos). Outra classificação usa a forma geométrica de seu capsídeo (geralmente uma hélice ou um icosaedro ) ou a estrutura do vírus (por exemplo, presença ou ausência de um envelope lipídico ). Os vírus variam em tamanho de cerca de 30 nm a cerca de 450 nm , o que significa que a maioria deles não pode ser vista com microscópios de luz . A forma e a estrutura dos vírus foram estudadas por microscopia eletrônica , espectroscopia de RMN e cristalografia de raios-X .

O sistema de classificação mais útil e mais amplamente utilizado distingue os vírus de acordo com o tipo de ácido nucleico que eles usam como material genético e o método de replicação viral que eles empregam para persuadir as células hospedeiras a produzir mais vírus:

Os virologistas também estudam partículas subvirais , entidades infecciosas notavelmente menores e mais simples do que os vírus:

  • viróides ( moléculas de RNA circulares nuas que infectam plantas),
  • satélites (moléculas de ácido nucleico com ou sem um capsídeo que requerem um vírus auxiliar para infecção e reprodução), e
  • príons ( proteínas que podem existir em uma conformação patológica que induz outras moléculas de príons a assumir a mesma conformação).

Táxons em virologia não são necessariamente monofiléticos , pois as relações evolutivas dos vários grupos de vírus permanecem obscuras. Existem três hipóteses a respeito de sua origem:

  1. Os vírus surgiram de matéria não viva, separadamente, mas em paralelo com as células, talvez na forma de ribozimas de RNA autorreplicantes semelhantes a viróides .
  2. Os vírus surgiram por redução do genoma de formas de vida celular anteriores e mais competentes, que se tornaram parasitas das células hospedeiras e, subsequentemente, perderam a maior parte de sua funcionalidade; exemplos desses minúsculos procariontes parasitas são Mycoplasma e Nanoarchaea .
  3. Os vírus surgiram de elementos genéticos móveis de células (como transposons , retrotransposons ou plasmídeos ) que se tornaram encapsulados em capsídeos de proteínas, adquirindo a capacidade de "se libertar" da célula hospedeira e infectar outras células.

De particular interesse aqui é o mimivírus , um vírus gigante que infecta amebas e codifica grande parte da maquinaria molecular tradicionalmente associada às bactérias. Duas possibilidades são que ele seja uma versão simplificada de um procarioto parasita ou tenha se originado como um vírus mais simples que adquiriu genes de seu hospedeiro.

A evolução dos vírus, que freqüentemente ocorre em conjunto com a evolução de seus hospedeiros, é estudada no campo da evolução viral .

Embora os vírus se reproduzam e evoluam, eles não participam do metabolismo , não se movem e dependem de uma célula hospedeira para a reprodução . A questão frequentemente debatida de se eles estão vivos ou não é uma questão de definição que não afeta a realidade biológica dos vírus.

Doenças virais e defesas do hospedeiro

Uma das principais motivações para o estudo dos vírus é o fato de causarem muitas doenças infecciosas importantes, entre elas o resfriado comum , gripe , raiva , sarampo , diversas formas de diarréia , hepatite , dengue , febre amarela , poliomielite , varíola e AIDS . O herpes simplex causa feridas e herpes genital e está sendo investigado como um possível fator no Alzheimer .

Alguns vírus, conhecidos como oncovírus , contribuem para o desenvolvimento de certas formas de câncer . O exemplo mais bem estudado é a associação entre o papilomavírus humano e o câncer cervical : quase todos os casos de câncer cervical são causados ​​por certas cepas desse vírus sexualmente transmissível. Outro exemplo é a associação da infecção com os vírus da hepatite B e C e câncer de fígado .

Algumas partículas subvirais também causam doenças: as encefalopatias espongiformes transmissíveis , que incluem a doença de Kuru , Creutzfeldt-Jakob e a encefalopatia espongiforme bovina ("doença da vaca louca"), são causadas por príons; a hepatite D é causada por um vírus satélite .

O estudo da maneira pela qual os vírus causam doenças é a patogênese viral . O grau em que um vírus causa doenças é sua virulência .

Quando o sistema imunológico de um vertebrado encontra um vírus, ele pode produzir anticorpos específicos que se ligam ao vírus e neutralizam sua infecciosidade ou marcam sua destruição . A presença de anticorpos no soro sanguíneo é freqüentemente usada para determinar se uma pessoa foi exposta a um determinado vírus no passado, com testes como o ELISA . A vacinação protege contra doenças virais, em parte, induzindo a produção de anticorpos. Anticorpos monoclonais , específicos para o vírus, também são usados ​​para detecção, como na microscopia de fluorescência .

A segunda defesa dos vertebrados contra os vírus, a imunidade mediada por células , envolve células imunes conhecidas como células T : as células do corpo exibem constantemente fragmentos curtos de suas proteínas na superfície da célula e, se uma célula T reconhecer um fragmento viral suspeito ali, o hospedeiro a célula é destruída e as células T específicas do vírus proliferam. Este mecanismo é iniciado por certas vacinações.

A interferência de RNA , um importante mecanismo celular encontrado em plantas, animais e muitos outros eucariotos , provavelmente evoluiu como uma defesa contra vírus. Um elaborado mecanismo de enzimas em interação detecta moléculas de RNA de fita dupla (que ocorrem como parte do ciclo de vida de muitos vírus) e, em seguida, prossegue para destruir todas as versões de fita simples dessas moléculas de RNA detectadas.

Toda doença viral letal apresenta um paradoxo: matar seu hospedeiro obviamente não traz nenhum benefício para o vírus, então como e por que ele evoluiu para isso? Hoje, acredita-se que a maioria dos vírus é relativamente benigna em seus hospedeiros naturais; alguma infecção viral pode até ser benéfica para o hospedeiro. Acredita-se que as doenças virais letais resultem de um salto "acidental" do vírus de uma espécie benigna para uma nova não acostumada (ver zoonose ). Por exemplo, os vírus que causam influenza grave em humanos provavelmente têm porcos ou pássaros como seu hospedeiro natural, e acredita-se que o HIV seja derivado do vírus benigno de primatas não humanos SIV .

Embora tenha sido possível prevenir (certas) doenças virais por vacinação por um longo tempo, o desenvolvimento de drogas antivirais para tratar doenças virais é um desenvolvimento comparativamente recente. A primeira dessas drogas foi o interferon , uma substância produzida naturalmente quando uma infecção é detectada e que estimula outras partes do sistema imunológico.

Pesquisa de biologia molecular e terapia viral

Os bacteriófagos , os vírus que infectam as bactérias , podem ser cultivados com relativa facilidade como placas virais em culturas bacterianas . Os bacteriófagos ocasionalmente movem material genético de uma célula bacteriana para outra em um processo conhecido como transdução , e essa transferência horizontal de genes é uma das razões pelas quais eles serviram como uma importante ferramenta de pesquisa no desenvolvimento inicial da biologia molecular . O código genético , a função das ribozimas , o primeiro DNA recombinante e as primeiras bibliotecas genéticas foram todos obtidos por meio de bacteriófagos. Certos elementos genéticos derivados de vírus, como promotores altamente eficazes , são comumente usados ​​na pesquisa de biologia molecular hoje.

O cultivo de vírus animais fora do hospedeiro vivo é mais difícil. Classicamente, ovos de galinha fertilizados têm sido usados ​​com frequência, mas as culturas de células são cada vez mais empregadas para esse fim hoje.

Como alguns vírus que infectam eucariotos precisam transportar seu material genético para o núcleo da célula hospedeira , eles são ferramentas atraentes para a introdução de novos genes no hospedeiro (conhecido como transformação ou transfecção ). Retrovírus modificados são freqüentemente usados ​​para essa finalidade, pois integram seus genes nos cromossomos do hospedeiro .

Essa abordagem de usar vírus como vetores gênicos está sendo buscada na terapia gênica de doenças genéticas. Um problema óbvio a ser superado na terapia gênica viral é a rejeição do vírus transformador pelo sistema imunológico.

A terapia fágica , o uso de bacteriófagos para combater doenças bacterianas, era um tópico de pesquisa popular antes do advento dos antibióticos e recentemente viu um interesse renovado.

Vírus oncolí ticos são vírus que infectam preferencialmente cancerosas células. Embora os esforços iniciais para empregar esses vírus na terapia do câncer tenham falhado, houve relatos em 2005 e 2006 de resultados preliminares encorajadores.

Sequenciamento de vírus

Como a maioria dos vírus é muito pequena para ser vista por um microscópio de luz, o sequenciamento é uma das principais ferramentas em virologia para identificar e estudar o vírus. O sequenciamento Sanger tradicional e o sequenciamento de última geração (NGS) são usados ​​para sequenciar vírus em pesquisas básicas e clínicas, bem como para o diagnóstico de infecções virais emergentes, epidemiologia molecular de patógenos virais e testes de resistência a medicamentos. Existem mais de 2,3 milhões de sequências virais únicas no GenBank. Recentemente, o NGS ultrapassou o Sanger tradicional como a abordagem mais popular para a geração de genomas virais.

Outros usos de vírus

Uma nova aplicação de vírus geneticamente modificados em nanotecnologia foi recentemente descrita; veja os usos de vírus em ciência de materiais e nanotecnologia . Para uso no mapeamento de neurônios, consulte as aplicações da pseudo-raiva na neurociência .

História

Adolf Mayer em 1875
Dmitri Ivanovsky c.  1915
Um homem velho, de óculos, vestindo um terno e sentado em um banco perto de uma grande janela.  A bancada está coberta com pequenos frascos e tubos de ensaio.  Na parede atrás dele está um grande relógio antigo, abaixo do qual há quatro pequenas prateleiras fechadas nas quais estão muitas garrafas bem etiquetadas.
Martinus Beijerinck em seu laboratório em 1921

A palavra vírus apareceu em 1599 e originalmente significava "veneno".

Uma forma muito precoce de vacinação conhecida como variolação foi desenvolvida há vários milhares de anos na China. Envolveu a aplicação de materiais de portadores de varíola para imunizar outras pessoas. Em 1717, Lady Mary Wortley Montagu observou a prática em Istambul e tentou popularizá-la na Grã-Bretanha, mas encontrou considerável resistência. Em 1796, Edward Jenner desenvolveu um método muito mais seguro, usando a varíola bovina para imunizar com sucesso um menino contra a varíola, e essa prática foi amplamente adotada. Seguiram-se vacinações contra outras doenças virais, incluindo a vacinação anti-rábica bem-sucedida por Louis Pasteur em 1886. A natureza dos vírus, entretanto, não era clara para esses pesquisadores.

Em 1892, o biólogo russo Dmitry Ivanovsky usou um filtro de Chamberland para tentar isolar a bactéria que causava a doença do mosaico do tabaco . Seus experimentos mostraram que extratos de folhas triturados de plantas de tabaco infectadas permaneceram infecciosos após a filtração. Ivanovsky relatou que um minúsculo agente infeccioso ou toxina , capaz de passar pelo filtro, pode estar sendo produzido por uma bactéria.

Em 1898, Martinus Beijerinck repetiu o trabalho de Ivanovski, mas foi além e passou o "agente filtrável" de planta em planta, encontrou a ação inalterada e concluiu-a infecciosa - replicando-se no hospedeiro - e, portanto, não uma mera toxina . Ele o chamou de contagium vivum fluidum . A questão de saber se o agente era um "fluido vivo" ou uma partícula, entretanto, ainda estava em aberto.

Em 1903, foi sugerido pela primeira vez que a transdução por vírus poderia causar câncer. Em 1908, Bang e Ellerman mostraram que um vírus filtrável pode transmitir leucemia de frango , dados amplamente ignorados até a década de 1930, quando a leucemia passou a ser considerada cancerígena. Em 1911, Peyton Rous relatou a transmissão do sarcoma de galinha , um tumor sólido, com um vírus, e assim Rous se tornou o "pai da virologia do tumor". O vírus foi mais tarde chamado de vírus do sarcoma de Rous 1 e entendido como um retrovírus . Vários outros retrovírus causadores de câncer foram descritos desde então.

A existência de vírus que infectam bactérias ( bacteriófagos ) foi reconhecida pela primeira vez por Frederick Twort em 1911 e, independentemente, por Félix d'Herelle em 1917. Como as bactérias podiam ser facilmente cultivadas em cultura, isso levou a uma explosão de pesquisas virológicas.

A causa da devastadora pandemia de gripe espanhola de 1918 inicialmente não era clara. No final de 1918, cientistas franceses mostraram que um "vírus que passa por um filtro" poderia transmitir a doença a pessoas e animais, cumprindo os postulados de Koch .

Em 1926, foi demonstrado que a escarlatina é causada por uma bactéria infectada por um certo bacteriófago.

Embora os vírus de plantas e bacteriófagos possam ser cultivados com relativa facilidade, os vírus animais normalmente requerem um animal hospedeiro vivo, o que complica imensamente seu estudo. Em 1931, foi demonstrado que o vírus da gripe poderia ser cultivado em ovos de galinha fertilizados, método que ainda hoje é usado para produzir vacinas. Em 1937, Max Theiler conseguiu cultivar o vírus da febre amarela em ovos de galinha e produziu uma vacina a partir de uma cepa de vírus atenuado; esta vacina salvou milhões de vidas e ainda está sendo usada hoje.

Max Delbrück , um importante investigador na área de bacteriófagos, descreveu o "ciclo de vida" básico de um vírus em 1937: em vez de "crescer", uma partícula de vírus é montada a partir de seus pedaços constituintes em uma única etapa; eventualmente, ele deixa a célula hospedeira para infectar outras células. O experimento Hershey-Chase em 1952 mostrou que apenas o DNA, e não a proteína, entra em uma célula bacteriana após a infecção com o bacteriófago T2 . A transdução de bactérias por bacteriófagos foi descrita pela primeira vez no mesmo ano.

Em 1949, John F. Enders , Thomas Weller e Frederick Robbins relataram o crescimento do poliovírus em células embrionárias humanas cultivadas , o primeiro exemplo significativo de um vírus animal cultivado fora de animais ou ovos de galinha. Este trabalho ajudou Jonas Salk a obter uma vacina contra a poliomielite a partir de vírus da poliomielite desativados; esta vacina mostrou-se eficaz em 1955.

O primeiro vírus que pôde ser cristalizado e cuja estrutura pôde, portanto, ser elucidada em detalhes foi o vírus do mosaico do tabaco (TMV), o vírus que havia sido estudado anteriormente por Ivanovski e Beijerink. Em 1935, Wendell Stanley conseguiu sua cristalização para microscopia eletrônica e mostrou que permanece ativo mesmo após a cristalização. Imagens claras de difração de raios-X do vírus cristalizado foram obtidas por Bernal e Fankuchen em 1941. Com base nessas imagens, Rosalind Franklin propôs a estrutura completa do vírus do mosaico do tabaco em 1955. Também em 1955, Heinz Fraenkel-Conrat e Robley Williams mostraram que o RNA de TMV purificado e sua proteína do capsídeo (revestimento) podem se automontar em vírions funcionais, sugerindo que esse mecanismo de montagem também é usado dentro da célula hospedeira, como Delbrück havia proposto anteriormente.

Em 1963, o vírus da hepatite B foi descoberto por Baruch Blumberg, que desenvolveu uma vacina  contra a hepatite B.

Em 1965, Howard Temin descreveu o primeiro retrovírus : um vírus cujo genoma de RNA foi transcrito reversamente em DNA complementar (cDNA), então integrado no genoma do hospedeiro e expresso a partir desse molde. A enzima viral transcriptase reversa , que junto com a integrase é uma característica distintiva dos retrovírus, foi descrita pela primeira vez em 1970, independentemente por Howard Temin e David Baltimore . O primeiro retrovírus que infectou humanos foi identificado por Robert Gallo em 1974. Mais tarde, descobriu-se que a transcriptase reversa não é específica para retrovírus; retrotransposons que codificam para a transcriptase reversa são abundantes nos genomas de todos os eucariotos. Dez a quarenta por cento do genoma humano deriva desses retrotransposons.

Em 1975, o funcionamento dos oncovírus foi esclarecido consideravelmente. Até então, pensava-se que esses vírus carregavam certos genes chamados oncogenes que, quando inseridos no genoma do hospedeiro, causariam câncer. Michael Bishop e Harold Varmus mostraram que o oncogene do vírus do sarcoma de Rous não é específico do vírus, mas está contido no genoma de animais saudáveis ​​de muitas espécies. O oncovírus pode ligar esse proto-oncogene benigno pré-existente, transformando-o em um verdadeiro oncogene que causa câncer.

1976 viu o primeiro surto registrado da doença do vírus Ebola , uma doença altamente letal transmitida por vírus.

Em 1977, Frederick Sanger conseguiu o primeiro sequenciamento completo do genoma de qualquer organismo, o bacteriófago Phi X 174 . No mesmo ano, Richard Roberts e Phillip Sharp mostraram, independentemente, que os genes do adenovírus contêm íntrons e, portanto, requerem o splicing de genes . Posteriormente, percebeu-se que quase todos os genes de eucariotos também possuem íntrons.

Uma campanha mundial de vacinação liderada pela Organização Mundial da Saúde da ONU resultou na erradicação da varíola em 1979.

Em 1982, Stanley Prusiner descobriu os príons e mostrou que eles causam scrapie .

Os primeiros casos de AIDS foram relatados em 1981, e o HIV , o retrovírus que o causou, foi identificado em 1983 por Luc Montagnier , Françoise Barré-Sinoussi e Robert Gallo . Foram desenvolvidos testes que detectam a infecção pelo HIV por meio da detecção da presença de anticorpos anti-HIV. Os esforços subsequentes de pesquisas gigantescas transformaram o HIV no vírus mais bem estudado. O vírus herpes humano 8 , a causa do sarcoma de Kaposi, freqüentemente observado em pacientes com AIDS, foi identificado em 1994. Vários medicamentos antirretrovirais foram desenvolvidos no final da década de 1990, diminuindo drasticamente a mortalidade por AIDS nos países desenvolvidos. O tratamento que existe para o HIV inclui uma infinidade de drogas diferentes denominadas coletivamente Terapia Antiretroviral Altamente Ativa (HAART). HAART ataca muitos aspectos diferentes do vírus HIV, reduzindo efetivamente seus efeitos abaixo do limite de detecção. No entanto, quando a administração de HAART for interrompida, o HIV voltará. Isso ocorre porque a HAART não ataca células HIV infectadas de forma latente, que podem ser reativadas.

O vírus da hepatite C foi identificado usando novas técnicas de clonagem molecular em 1987, levando a testes de triagem que reduziram drasticamente a incidência de hepatite pós- transfusão .

As primeiras tentativas de terapia gênica envolvendo vetores virais começaram no início dos anos 1980, quando retrovírus foram desenvolvidos que podiam inserir um gene estranho no genoma do hospedeiro. Eles continham o gene estranho, mas não continham o genoma viral e, portanto, não podiam se reproduzir. Testes em camundongos foram seguidos por testes em humanos , começando em 1989. Os primeiros estudos em humanos tentaram corrigir a doença genética imunodeficiência combinada grave (SCID), mas o sucesso clínico foi limitado. No período de 1990 a 1995, a terapia gênica foi experimentada em várias outras doenças e com diferentes vetores virais, mas ficou claro que as expectativas inicialmente elevadas eram exageradas. Em 1999, outro revés ocorreu quando Jesse Gelsinger, de 18 anos, morreu em um ensaio de terapia genética. Ele sofreu uma severa resposta imunológica após ter recebido um vetor de adenovírus . O sucesso na terapia gênica de dois casos de SCID ligada ao X foi relatado em 2000.

Em 2002, foi relatado que o poliovírus havia sido montado sinteticamente em laboratório, representando o primeiro organismo sintético. Montar o genoma da base 7741 do zero, começando com a sequência de RNA publicada do vírus, levou cerca de dois anos. Em 2003, um método mais rápido foi mostrado para montar o genoma de 5386 bases do bacteriófago Phi X 174 em duas semanas.

O mimivírus gigante , em certo sentido um intermediário entre minúsculos procariontes e vírus comuns, foi descrito em 2003 e sequenciado em 2004.

A cepa do vírus Influenza A subtipo H1N1 que matou até 50 milhões de pessoas durante a pandemia de gripe espanhola em 1918 foi reconstruída em 2005. As informações da sequência foram reunidas a partir de amostras de tecido preservadas de vítimas da gripe; vírus viável foi então sintetizado a partir desta sequência. A pandemia de gripe de 2009 envolveu outra cepa do Influenza A H1N1, comumente conhecida como "gripe suína".

Em 1985, Harald zur Hausen havia demonstrado que duas cepas do papilomavírus humano (HPV) causam a maioria dos casos de câncer cervical . Duas vacinas de proteção contra essas cepas foram lançadas em 2006.

Em 2006 e 2007, foi relatado que a introdução de um pequeno número de genes de fatores de transcrição específicos em células normais da pele de camundongos ou humanos pode transformar essas células em células- tronco pluripotentes , conhecidas como células-tronco pluripotentes induzidas . A técnica usa retrovírus modificados para transformar as células; este é um problema potencial para a terapia humana, uma vez que esses vírus integram seus genes em um local aleatório no genoma do hospedeiro, o que pode interromper outros genes e potencialmente causar câncer.

Em 2008, foi descrito o Sputnik virophage , o primeiro virófago conhecido : ele usa a maquinaria de um vírus auxiliar para se reproduzir e inibe a reprodução desse vírus auxiliar. O Sputnik se reproduz em amebas infectadas pelo mamavírus , um parente do mimivírus mencionado acima e o maior vírus conhecido até o momento.

Um retrovírus endógeno (ERV) é um elemento viral no genoma derivado de um retrovírus cujo genoma foi incorporado ao genoma da linha germinativa de algum organismo e, portanto, é copiado com cada reprodução desse organismo. Estima-se que cerca de 9 por cento do genoma humano se origina de ERVs. Em 2015, foi demonstrado que as proteínas de um ERV são ativamente expressas em embriões humanos de 3 dias de idade e parecem desempenhar um papel no desenvolvimento embrionário e proteger os embriões da infecção por outros vírus.

Desde a invenção do Organ-on-a-chip em 2010, a abordagem da engenharia encontrou aplicação no estudo de muitas doenças. A abordagem também foi introduzida na virologia e os modelos de chip estão sendo desenvolvidos. Os exemplos incluem a invenção do modelo de influenza pelo grupo Donald E. Ingber , a invenção do modelo de doença do vírus Ebola pelo grupo Alireza Mashaghi e a invenção do modelo de hepatite viral pelo grupo Marcus Dorner. A abordagem de chip de órgão provavelmente substituirá os modelos animais para a virologia humana.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Baron, Samuel, ed. (1996). "Seção 2: Virologia" . Microbiologia Médica (4ª ed.). Arquivado do original em 2006-03-07. (livro online livremente pesquisável)
  • Caixão; Hughes; Varmus (1997). Retrovírus . Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 9780879695712. (livro online livremente pesquisável)
  • Villarreal, LP (2005). Vírus e a evolução da vida . Washington DC: ASM Press. ISBN 1-55581-309-7.

links externos