Modalitati particulare de codificare a informatiei genetice la virusuri

Modalitati particulare de codificare a informatiei genetice la virusuri

Virusurile prezinta o diversitate proprie de sisteme genetice, neintalnita la sistemele celulare (bacterii, fungi plante si animale, luate la un loc). Diversitatea genetica a virusurilor este consecinta succesului lor de a parazita toate grupele cunoscute de organisme.

Raportul dintre gr. mol. a genomului si a produsului de sinteza este de circa l0/l pentru genomul monocatenar si 20/l pentru cel dublu catenar. Valoarea foarte mica a acestui raport se datoreaza existentei unor mecanisme moleculare care permit utilizarea cu maxima eficienta a informatiei genetice continuta in genom.

Genomul de dimensiuni mici prezinta avantajul de a fi transcris si tradus mai rapid si mai fidel.

Datorita dimensiunilor mici ale genomului lor, virusurile fac economie de informatie genetica, utilizand mai multe strategii de codificare. Notiunea de "strategie" semnifica modalitatile de organizare si functionare a informatiei genetice care permit utilizarea informatiei genetice cu randament optim.

l. Virusurile codifica sinteza unei varietati foarte limitate de proteine. Capsida este formata din molecule proteice de acelasi tip, sau dintr-un numar mic de tipuri de proteine diferite, la care se adauga alte cateva tipuri de proteine asociate genomului. Asociate peplosului, se gaseste un numar restrans de glicoproteine.

2. Pentru realizarea unor functii proprii, unele virusuri utilizeaza molecule ce apartin total sau partial celulei gazda: de exemplu, enzima de replicare (ARN-polimeraza) a fagului Q-beta (un fag ARN) este alcatuita din 4 subunitati polipeptidice, dintre care una este codificata de virus, iar celelalte trei apartin celulei.

3. Unele polipeptide virale indeplinesc functii multiple, avand atat rol structural (adica sunt proteine care intra in alcatuirea virionului) cat si rol reglator.

4. In ciclul de multiplicare, unele virusuri utilizeaza informatia genetica a virusurilor helper. Virusurile helper suplinesc anumite deficiente functional-replicative ale virusului defectiv. Virusurile defective nu se pot replica pana la stadiul de virus matur, deoarece le lipsesc genele codificatoare ale proteinelor structurale sau genele reglatoare ale morfogenezei. De exemplu, adenovirusurile au functia de helper pentru replicarea unor parvovirusuri (Adeno-Associated-Viruses - AAV), iar virusul hepatitei B are rol helper pentru replicarea virusului delta.

5.Virusurile utilizeaza mai multe modalitati de transmitere a informatiei genetice de la genom la proteine, prin intermediul ARNm. Ele depasesc conditiile restrictive ale cantitatii limitate de informatie genetica, impusa de dimensiunile reduse ale capsidei, prin existenta genelor suprapuse. Suprapunerea genica semnifica faptul ca o secventa de ADN poate sa codifice mai mult decat o proteina. Fenomenul suprapunerii se realizeaza pe doua cai:

1) Inadirea acelorasi secvente codificatoare ale moleculei de ARNm in succesiuni diferite. La virusurile infectioase pentru animale, informatia genetica are caracter discontinuu, asa cum este si a celulelor.

Fenomenul de inadire (splicing) a secventelor informationale neadiacente de acid nucleic s-a identificat initial la adenovirusuri^* (Berget, 1977), dar acum este recunoscut ca fiind universal si are loc fie in timpul sintezei ARNm sau, in genomul eucariot, ca rezultat al rearanjarii genelor prin fenomene de transpozitie in timpul diferentierii celulare.

In celulele infectate cu adenovirusuri, moleculele de ARN care hibrideaza cu ADN viral sunt heterogene ca dimensiuni : aceleasi sonde de ADN hibrideaza cu molecule lungi si cu molecule scurte de ARN. S-a dedus astfel, ca genomul viral este transcris in molecule lungi, clivate ulterior in fragmente mai mici si reunite in molecule de ARNm de lungimi diferite (clivare-jonctiune = sudare). S-a precizat pentru prima data ca gena este discontinua: are fragmente necodificatoare care alterneaza cu cele codificatoare. Apoi s-a constatat ca discontinuitatea este o caracteristica generala a genelor celulei eucariote.

Genele adenovirale introno-exonice sunt transcrise de ARN-pol II in precursori ARNm. Precursorii sunt supusi proceselor de prelucrare si maturare, in care secventele intronice sunt eliminate si degradate. Clivajul are loc totdeauna la aceleasi secvente semnal, dar jonctiunea reuneste un numar variabil de secvente codificatoare si in succesiune alternativa, astfel incat o gena (E1A) codifica cel putin 8 proteine diferite.

ARNm este rezultatul unui proces de prelucrare a copiei primare (ARN premesager), ce consta in eliminarea intronilor^* si inadirea exonilor. La virusuri, exonii sunt asamblati in succesiuni diferite in molecula de ARNm, ceea ce diversifica gama proteinelor codificate de o secventa de ADN. Secventele intronilor nu se gasesc in ARNm matur.

^*Sunt doua posibilitati de eliminare a intronilor:

- intronii nu sunt transcrisi, deoarece ARN-polimeraza sare de la un exon la altul si ignora intronii

- intronii sunt transcrisi si rezulta o copie primara (ARN-premesager), care e clivata pentru eliminarea intronilor, iar exonii sunt inaditi. Procesul sectionarii intronilor si inadirea exonilor este rezultatul actiunii unui aparat enzimatic, denumit spliceosom, care recunoaste secventa GU-intron-AG exon. Secventele GU-AG care delimiteaza intronul marcheaza situsurile de clivare. Semnalul este insa mai complex, deoarece aceste secvente apar cu o frecventa prea mare pentru a constitui singure semnalul clivarii.

Unele molecule de ARN mesager se inadesc singure. Moleculele de ARN au activitate ribozimica si intronii se elimina fara interventia aparatului enzimatic al spliceosomului. Reactia nu este pur enzimatica, deoarece ARN insusi se modifica. Se considera ca o enzima adevarata ramane nemodificata la sfarsitul reactiei.

Echipamentul enzimatic care catalizeaza prelucrarea ARNm prin clivare si inadire este localizat in nucleu si in consecinta, mecanismul inadirii genice poate fi activ numai la virusurile care au o faza nucleara a ciclului de replicare (adeno, herpes, papova, influenza).

2) Initierea traducerii mesajului la doua sau chiar trei situsuri diferite. Unele virusuri schimba cadrul de citire a informatiei in timpul traducerii (frame shifting), initiind sinteza proteica la noi situsuri de traducere a ARNm (open reading frames - ORF). Prin initierea traducerii mesajului la doua sau chiar trei situsuri diferite, aceiasi secventa de nucleotide este tradusa in doua sau trei proteine distincte.

Ribosomii au capacitatea intrinseca de a schimba cadrul de citire in timpul traducerii mesajului, pe care unele virusuri o exploateaza pentru a diversifica setul de proteine pe care le sintetizeaza. S-a sugerat ca subunitatea 40S a primului ribosom angajat in traducerea ARNm se fixeaza la primul codon de initiere a traducerii (AUG). Restul ribosomilor aluneca pe molecula de ARNm, pana la urmatoarea tripleta de initiere AUG, de unde reincepe traducerea mesajului. De exemplu, in timpul traducerii mesajului pentru proteina gag a virusului sarcomului Rous, 5% din ribosomi isi schimba cadrul de citire pentru a sintetiza proteina gag-pol. Secvente specifice ale ARNm viral favorizeaza alunecarea ribosomilor, astfel incat se sintetizeaza si mici cantitati de revers-transcriptaza (RT).

In ciuda diversitatii strategiilor functionale ale genomului viral, universalitatea codului genetic nu este incalcata, desi anumiti codoni pot avea o frecventa superioara.

Gene neesentiale. Calificativul de ''gena neesentiala'' a genomului viral este complicat de faptul ca un produs genic poate fi esential in anumite conditii de mediu celular si nesemnificativ in altele. De exemplu, gena Tk de HSV 1 nu este esentiala pentru replicarea virusului in celule care cresc si se divid cu o rata crescuta, dar este esentiala pentru replicarea genomului in celulele care nu se divid (neuroni).

Gena Tk permite ca timidina exogena sa fie incorporata in ADN. Dependenta virusului de produsul genei proprii depinde de nivelul activitatii enzimei in celula gazda.

Un alt exemplu al unei gene neesentiale este gena codificatoare a glicoproteinei E₃ (de la adenovirusuri). Gena poate fi inactivata prin mutatie si ciclul de multiplicare virala nu este modificat. Virusul mutant, in vivo, este mai putin virulent decat virusul de tip salbatic, iar leziunile tisulare sunt diminuate.

Glicoproteina E₃ este activa la nivelul la nivelul reticulului endoplasmic si stopeaza maturarea moleculelor CMH I pe suprafata celulei infectate, astfel incat celulele Tc nu raspund eficient fata de celulele infectate cu virusul de tip salbatic. Se formeaza mai mult virus progen, iar patologia tisulara este mai ampla.

Importanta geneticii virale. Studiile de genetica virala au adus o contributie de o valoare deosebita la definirea unor notiuni fundamentale. Analiza modului in care este codificata si transmisa informatia genetica, la virusurile infectioase pentru celula animala a dat o definitie mai flexibila notiunii de gena, ca rezultat al descoperirii ca aceiasi secventa de ADN sau ARN poate sa specifice (sa codifice) mai mult decat un produs genic. Conceptul vechi, "o gena = o enzima" a fost inlocuit cu definitia mai corecta, "o gena codifica mai multe polipeptide". Datorita suprapunerii genice, fenomen descoperit la virusuri, genomul nu mai poate fi considerat ca o succesiune lineara de unitati codificatoare independente.

Descoperirea caracterului discontinuu al informatiei genetice este de asemenea, rezultatul studiului genetic al virusurilor infectioase pentru celula umana si animala.

Una din marile contributii ale virologiei animale la dezvoltarea stiintelor biologice in general si a biologiei moleculare in special, a fost descoperirea si caracterizarea enzimei revers-transcriptaza a retravirusurilor. Pentru prima data a devenit evident ca transferul informatiei genetice in sistemele biologice nu se face exclusiv pe filiera ADN --- ARN --- proteine, ci in anumite situatii, informatia genetica poate fi transmisa in sensul ARN --- ADN --- ARN ---- proteine. A fost astfel completata axioma centrala a biologiei moleculare, care sustinea transmiterea unidirectionala a informatiei genetice.

Pe de alta parte, enzima revers-transcriptaza a devenit unul dintre instrumentele foarte importante ale biotehnologiilor bazate pe clonare si secventiere. S-a largit cadrul de aplicare a metodologiei ingineriei genice. A devenit posibila propagarea copiilor ADN ale genomului viral ARN, precum si a copiilor ADN obtinute prin reverstranscrierea ARNm celular.

Semnificatia biologica a genomului viral. Informatia genetica virala contine determinanti genetici care asigura desfasurarea ciclului de multiplicare, in celula gazda sensibila: replicarea genomului, informatia genetica necesara devierii metabolismului celulei gazda, in sensul sintezei componentelor virale, genele pentru sinteza proteinelor structurale si reglatoare, precum si genele care asigura asamblarea si eliberarea virionilor progeni din celula gazda.

Genomul viral conditioneaza patogenitatea si virulenta virala si asigura potentialul de variabilitate a virusurilor. Variabilitatea este o proprietate esentiala pentru propagarea virusurilor in natura. Astfel, spiculele de hemaglutinina ale virusului gripal prezinta o variatie biochimica de la un sezon la altul, iar spiculele virusului imunodeficientei umane (HIV), cu rolul de a fixa virionul pe receptorii membranari ai limfocitului TCD₄ au tendinta spre o variatie biochimica accentuata.