Virussen 2 - Het leven zoals het is

Heel die opbouw van een virus is erop gericht om de besmetting en vermenigvuldiging zo snel mogelijk te laten verlopen. Dit gebeurt in zes stappen, die we in deze blogpost een voor een overlopen.

 


De levenscyclus van een griepvirus.
Bron: Vrij te vinden op https://openstax.org/books/microbiology/pages/6-2-the-viral-life-cycle. CC BY 4.0

Stap 1. Het virus vindt een gastcel en bindt zich eraan vast

Een virus kan alleen een gastheercel infecteren als het die cel kan herkennen. Daarvoor dienen de eiwitten aan de buitenkant: die passen namelijk perfect op de eiwitten die die gastcel aan zijn buitenkant heeft zitten – alsof het virus de sleutel is die past in het slot op de deur van de gastcel. Uiteraard heeft die gastcel geen eiwitten gemaakt om virussen binnen te laten: die dienen onder normale omstandigheden om andere moleculen te herkennen, zoals hormonen, voedingsstoffen, signalen van nabijgelegen cellen, enzovoort. Het virus maakt daar handig gebruik van: in de loop van de evolutie zijn de uiteinden van de viruseiwitten beginnen lijken op de moleculen die de gastcel normaal gesproken wil herkennen. Onderzoekers trekken zo wel eens de vergelijking met het Paard van Troje.

The Procession of the Trojan Horse (door Giovanni Domenico Tiepolo, ca. 1760)

Na tien jaar belegering proberen de Grieken de stad Troje in te nemen door een aantal van hun strijders te verbergen in een houten paard, zo vertelt ons de Romeinse dichter Vergilius. De rest van het Griekse leger verborg zich in hun schepen op een afstand. De Trojanen waren ervan overtuigd dat ze de oorlog gewonnen hadden, en haalden het paard naar binnen in hun stad, om de zege te vieren. ’s Nachts kropen de Grieken echter uit het paard, openden de stadsmuren voor het ondertussen teruggekeerde Griekse leger. Troje werd die nacht volledig platgebrand.

Het Trojaanse paard ging de geschiedenis in als het icoon van alles wat aan de buitenzijde nuttig en goed lijkt, maar waar het kwaad binnenin schuilt – zoals virussen.

Schilderij in beheer van de National Gallery in Londen.

 

Een paar voorbeelden:

  • Het hepatitis B-virus bindt zichzelf vast op de eiwitten die normaal het antilichaam IgA herkennen.
  • De meeste menselijke rhinovirussen (virussen die heel wat van onze verkoudheden veroorzaken) blijven vasthangen aan zogenoemde intercellulaire adhesiemoleculen, te vinden op de cellen die de neusholte bekleden (het neusepitheel). Normaal gesproken dienen die adhesiemoleculen om witte bloedcellen aan te trekken, die dan allerlei ziekteverwekkers die via de neus naar binnen willen, onschadelijk maken. De rhinovirussen zijn deze te snel af en glippen wel naar binnen.
  • Het hiv-virus heeft op zijn enveloppe het eiwit gp120, dat zich bindt op de CD4-eiwitten in de membraan van de T4-lymfocyten (een type van witte bloedcellen) van hun gastheer. Daarna hangen ze zich ook aan de chemokinereceptoren (een ander eiwit in diezelfde membraan). Nu zijn die CD4-moleculen zijn normaal gesproken betrokken bij het herkennen van lichaamsvreemde stoffen en het opstarten van ons immuunsysteem om ons tegen die stoffen te verweren. Chemokinereceptoren dienen normaal om chemische signalen op te pikken: ze detecteren de aanwezigheid van chemokines, kleine eiwitjes die de lymfocyten juist aantrekken naar plaatsen waar er veel van die lichaamsvreemde stoffen te vinden zijn, zodat de lymfocyten die kunnen verwijderen. Het hiv-virus gebruikt zo onze eigen afweer tegen ons.

 

Stap 2. Het virus kruipt in de gastcel

Eenmaal het virus vasthangt aan de gastcel, probeert het binnen te geraken. In de meeste gevallen gebeurt dit door endocytose: een proces waarbij de membraan van de gastcel een instulping vormt waar het virus in komt te zitten. Er vormt zich dan een blaasje binnenin de cel.

Endocytose: virusdeeltjes geraken via een endocytoseblaasje de cel binnen
Bron: schema: Servier Medical Art, CC BY 3.0

 

Als het virus een enveloppe heeft, is het ook mogelijk dat die enveloppe samensmelt met de membraan van de gastcel. Bacteriofagen (virussen die misbruik maken van bacteriën) hebben nog een andere manier ontwikkeld: ze zetten zich als een kleine maanlander vast op het oppervlak van de getroffen bacterie en spuiten ze hun genetisch materiaal in de bacteriecel in. De lege capside blijft dan aan de buitenkant zitten (en heeft zijn nut gehad).

Een bacteriofaag infecteert een bacteriecel door zijn DNA in de cel te injecteren.
Bron: aangepast van Karasunoko, Wikimedia. publiek domein

Elektronenmicroscopische opname van bacteriofagen (ZEISS Libra 120 TEM)
Bron: ZEISS Microscopy, Flickr, CC BY-NC-ND 2.0

 

Stap 3. Het virus valt uit mekaar en zijn genetisch materiaal komt vrij

Zodra het virus via een endocytoseblaasje in de cel is geraakt, begint de capside uit mekaar te vallen, en dit komt doordat de pH in dat blaasje begint te veranderen. Zo komt uiteindelijk het genetisch materiaal van het virus vrij in de besmette cel. In het geval van de meeste virussen met een RNA-genoom komt dat RNA terecht in het cytoplasma van de gastcel. Bij virussen met een DNA-genoom verhuist dat DNA naar de celkern (bij dieren en planten toch). Ondertussen wordt het virus onzichtbaar: er zijn geen virions meer te zien in de cel, want de oude zijn uiteengevallen en er zijn nog geen nieuwe aangemaakt.

Stap 4. Het virus vermenigvuldigt

De genen op dat stukje DNA of RNA nemen nu de hele gastcel over: ze gebruiken de voedingsstoffen, energie, alle enzymen, en de machinerie om aan transcriptie en translatie te doen om hun virale enzymen en virusonderdelen te synthetiseren. Het virusgenoom moet immers zichzelf kopiëren: elke kopie wordt uiteindelijk een nieuw virus.

Daarnaast moet het virus zorgen dat er van elk virusgen ook een boodschapper-RNA (mRNA) bestaat, dat de gastcel verder kan vertalen naar de juiste viruseiwitten. Daarvoor dienen andere enzymen: de RNA-polymerasen (en ook die zijn meestal al voorhanden in de gastcel). Dat boodschapper-RNA kan vervolgens door de ribosomen van de gastheercel worden vertaald in eiwitten.

Afhankelijk van soort tot soort slaan virussen hun genetische informatie opslaan in zes verschillende vormen van nucleïnezuren.  

Er zijn de virussen met dubbelstrengig DNA. Dat wordt door de gastcel net zo behandeld als het normale DNA in die cel: DNA-polymerase-enzymen maken er kopieën van, die worden ingebouwd in de toekomstige nieuwe virusdeeltjes, en de bestaande RNA-polymerasen in de cel schrijven het DNA over tot een bruikbaar mRNA. De ribosomen in de cel vertalen dat mRNA dan tot viruseiwitten Dit gebeurt zo onder andere bij de meeste bacteriofagen, bij de papovavirussen, de adenovirussen en de herpesvirussen.

Sommige virussen hebben enkel een DNA-molecule waarvan maar één streng voorhanden is (enkelstrengig DNA). Dan zullen de DNA-polymerasen eerst de andere streng aanbouwen, en op basis van dit dubbelstrengig DNA weer nieuwe enkelstrengige versies maken, om te gebruiken bij het samenstellen van nieuwe virussen. De gastcel laat dan zijn RNA-polymerase-enzymen los op die enkelstrengige DNA-moleculen die weer mRNA maken. Voorbeelden van virussen die dit schema volgen zijn bacteriofaag M13 en de parvovirussen.

Virussen met dubbelstrengig RNA brengen hun eigen RNA-polymerasen mee. Dubbelstrengig RNA komt namelijk normaal gesproken niet voor in een cel, en de gastcellen zijn dan ook niet voorzien van enig enzym dat er raad mee weet. Die virale RNA-polymerase-enzymen maken een reeks kopieën van zowel de (+)-RNA- als de (-)-RNA-strengen, en beide vormen dan spontaan weer een dubbelstrengige versie van het genoom. Het virale (+)-RNA dient overigens meteen als mRNA voor de aanmaak van eiwitten. De rheovirussen zijn een voorbeeld van dergelijke virussen.

Bij de virussen met enkelstrengig RNA zijn er twee mogelijkheden: (+)-RNA en (-)-RNA. De (+)-versie kan onmiddellijk dienen voor de aanmaak van nieuwe viruseiwitten. Voorbeelden van deze groep zijn picornavirussen en coronavirussen. Bezit het virus een (-)-RNA-variant, dan beschikt het ook over een eigen stukje gereedschap. Het gaat dan weer over een RNA-polymerase, dat eerst het (-)-RNA omzet in (+)-RNA, wat dan op zijn beurt kan dienen voor verdere translatie. Voorbeelden zijn orthomyxovirussen en rhabdovirussen.

En dan zijn er ten slotte de RNA-retrovirussen. Ook die komen met hun eigen gereedschap om zichzelf zo vlot mogelijk te vermenigvuldigen, en in hun geval gaat het dan over een enzym dat reverse transcriptase heet. Dit enzym is een zeer speciaal geval. Zoals je kan lezen in het verhaal over het Centrale Dogma, verloopt de informatiestroom in onze cellen enkel van DNA naar RNA. Niet zo bij de retrovirussen. Hun reverse transcriptase-enzymen zetten (+)-RNA om in enkelstrengig DNA. Daar breien de DNA-polymerasen van de gastheercel dan een tweede, dubbele streng aan, en dat dubbelstrengig DNA wordt door de gastcel dan weer aanzien als normaal genetisch materiaal. De gastcel begint daar met andere woorden nieuwe eiwitten mee te maken… om nieuwe virussen te maken. Retrovirussen, zoals het humaan immunodeficiëntievirus, volgen deze weg om zich te vermenigvuldigen.

Daarmee is niet alles gezegd. Het genetisch materiaal van de virussen is immers zo goed georganiseerd, dat de eerste viruseiwitten die worden aangemaakt, helpen om die vermenigvuldiging zo vlot mogelijk te laten doorgaan. Pas later in het proces laat het virus de gastcel ook de capsomeren en de eiwitten in de enveloppe produceren.

Sommige lezers vragen zich wellicht nu af of dit allemaal iets uitmaakt (behalve voor virologen die kicken op de kleine details van hoe virussen zich gedragen). En toch. Of een virus een RNA- of een DNA-genoom heeft, is belangrijk voor wie manieren zoekt om virussen onder controle te houden. In het geval van RNA-virussen willen we alle enzymen die het virus met zich meedraagt (RNA-polymerasen bijvoorbeeld) kunnen uitschakelen. Bij DNA-virussen nemen de virussen gewoon de controle over in de gastcel zelf. Schakelen we die uit, dan lopen ook de niet-geïnfecteerde cellen gevaar.  

 

Stap 5. Het virus rijpt in de gastheercel.

Met een gastcel die nu tjokvol zit met virus-DNA of -RNA en capsomeren, beginnen zich nieuwe virions te vormen.

 

Stap 6. Het virus ontsnapt uit de gastcel en is klaar voor een nieuwe ronde

En zo is het virus klaar om uit de gastcel te ontsnappen. Naakte virussen komen vrij wanneer de gastcel uit mekaar klapt (een proces dat aangeduid wordt als lyse). Bij de virussen met een enveloppe neemt het ontsnappende virus een stukje mee van de plasmamembraan van de stervende gastcel. Het virus heeft daar ondertussen een aantal eiwitten in geplant, die ervoor zorgen dat de nieuwe virusdeeltjes weer als een Trojaans paard in een volgende cel kunnen binnendringen.

Hiv-virussen komen vrij uit een cel. EC = extracellulaire ruimte, PM = plasmamembraan, Cy = cytoplasma.

Bron: Hadpech, S., Nangola, S., Chupradit, K. et al. Alpha-helicoidal HEAT-like Repeat Proteins (αRep) Selected as Interactors of HIV-1 Nucleocapsid Negatively Interfere with Viral Genome Packaging and Virus Maturation. Sci Rep 7, 16335 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-16451-w. CC BY 4.0

 

Deze blogpost is een aanvulling op Elementair, onze podcast over wetenschap, te vinden op Spotify en op Libsyn.

Deze podcast wordt gesteund door het Fonds Ernest Solvay via de Koning Boudewijnstichting

Geplaatst door Geert op 07/04/2020 om 21:22