Bài giảng Vi sinh vật đại cương - Chương 2: Virus

9/18/2020 1 Chương 2. Virus • Lịch sử phát hiện ra virus • Một số đặc tính của virus • Hình thái và cấu tạo virus • Quá trình nhân lên của virus • Phân loại virus • Vai trò của virus trong đời sống A virus is a non-cellular particle made up of genetic material and protein that can invade living cells. Adolf Mayer 1843-1942 • Khi nghiên cứu bệnh khảm cây thuốc lá đã nhận thấy bệnh này có thể lây nếu phun dịch ép lá cây bị bệnh sang cây lành, tuy nhiên ông không phát hiện được tác nhân gây bệnh • 1882, described the tobacco mosaic disease as "a soluble, possibly enzyme-like contagium“ • 1886, changed his mind and reported that it is "bacterial, but that the infectious forms have not yet been isolated, nor are their forms of life known" Lịch sử nghiên cứu và phát hiện virus 9/18/2020 2 Năm 1884 Charles Chamberland đã sáng chế ra màng lọc bằng sứ để tách các vi khuẩn. Ivanovsky 1864-1920 1892: Dịch từ lá cây bị bệnh có thể gây bệnh cho những cây khác, mặc dù dịch này đã được lọc qua màng. 1899: Bệnh gây ra do dịch nuôi cấy vi khuẩn. 1903: Cho rằng các yếu tố gây bệnh có thể tồn tại lâu dài chỉ có thể là dạng nghỉ của vi khuẩn, hay là bào tử. Sự nhiễm bệnh chỉ có thể nhân lên trong môi trường nuôi cấy nhân tạo Beijerinck 1851-1931 1898: Dịch thu được từ cây bị bệnh được nuôi cấy trên môi trường nuôi cấy 03 tháng và không có vi khuẩn mọc, nhưng dịch này vẫn gây bệnh cho cây. Các cây bị bệnh tiếp tục được thu nhận và lấy dịch, sau đó lây nhiễm qua vài thế hệ, cây bị lây nhiễm vẫn bị bệnh, chứng tỏ nhân tố gây bệnh không phải là độc tố. Nhân tố gây bệnh chỉ nhân nhanh trong các mô cây còn sống Nhân tố này bất hoạt ở 900C, nhưng vẫn giữ hoạt tính khi phơi khô và dự trữ Kết luận: The infectious agent is not a contagium fixum, or microorganism, but rather a contagium vivum fluidum, or virus. 9/18/2020 3 • Năm 1901 Walter Reed và cộng sự ở Cuba đã phát hiện tác nhân gây bệnh sốt vàng, cũng qua lọc. • Tiếp sau đó các nhà khoa học khác phát hiện ra tác nhân gây bệnh dại và đậu mùa. Tác nhân gây bênh đậu mùa có kích thước lớn, không dễ qua màng lọc, do đó các tác nhân gây bệnh chỉ đơn giản gọi là virus. • Năm 1915 nhà vi khuẩn học người Anh Frederick Twort và năm 1917 nhà khoa học người Pháp Felix d'Hérelle đã phát hiện ra virus của vi khuẩn và đặt tên là Bacteriophage gọi tắt là phage. • Năm 1935 nhà khoa học người Mỹ Wendell Stanley đã kết tinh được các hạt virus gây bệnh đốm thuốc lá (TMV). Rồi sau đó TMV và nhiều loại virus khác đều có thể quan sát được dưới kính hiển vi điện tử. • Virus có kích thước nhỏ bé từ hàng chục đến hàng trăm nanometer (20-300 nm). • Virus không có cấu tạo tế bào, chỉ là vật chất sống đơn giản chứa một trong 2 loại axit nucleic (ADN hoặc ARN). • Các axit nucleic được bọc bởi một lớp vỏ protein (capsid). Một số virus có thêm lớp màng bao (vỏ ngoài), được cấu tạo bởi lipid và lipoprotein. • Virus thiếu các bào quan như ti thể, ribosome... • Virus kí sinh bắt buộc trong các tế bào sống để sinh trưởng và phát triển • Virus dựa vào tế bào chủ để cung cấp năng lượng và tổng hợp các thành phần cần thiết cho quá trình nhân lên của bộ genome và sự tổng hợp protein. Một số đặc tính chung của virus 9/18/2020 4 Nucleocapsit Lõi (bộ gen) axit nucleic Vỏ (capsit) protoin Axit nucleic Capsit + Lõi (bộ gen): Axit nuclêic + Vỏ (capsit): Prôtêin Phức hợp gồm axit nuclêic và protein người ta gọi là Nucleocapsit Cấu tạo chung của virus 9/18/2020 5 Capsome capsid - Được cấu tạo từ những đơn vị nhỏ hơn là capsome. - Virut càng lớn số lượng capsome càng nhiều Bộ gen của virus có điểm gì sai khác so với so với bộ gen của sinh vật nhân chuẩn? Bộ gen của virus có thể là ADN hoặc ARN 1 sợi hoặc 2 sợi Bộ gen của sinh vật nhân chuẩn luôn là ADN 2 sợi Bé gen (RNA) Bé gen (DNA) Bộ gen của virus Bộ gen của sinh vật nhân chuẩn Bé gen (DNA) 9/18/2020 6 Virut trần và virut có vỏ ngoài Virus chỉ có cấu tạo gồm lõi và vỏ capsid (giống cấu tạo chung) Có lớp vỏ bọc bao bên ngoài vỏ capsid, trên có gắn các gai glycoprotein Virus trần (virus đơn giản) Virus có vỏ bọc (virus phức tạp) acid nuclªic capsid Vá ngoµi Gai glycoprotei n Virut có vỏ bọc Lâi capsi d Gai glycoprotein Vỏ ngoài: Lớp lipit kép và protein tương tự màng sinh chất  bảo vệ virut Gai glycôprôtêin có tác dụng gì ? - Làm nhiệm vụ kháng nguyên, giúp virut bám trên bề mặt tế bào 9/18/2020 7 Hình thái của virus • Viruses come in a variety of shapes • Some may be helical shape like the Ebola virus • Some may be polyhedral shapes like the influenza virus • Others have more complex shapes like bacteriophages 9/18/2020 8 9/18/2020 9 Quá trình nhân lên của virus 1. Adsorption (attachment) - Cảm ứng 2. Entry - Xâm nhập 3. Uncoating - Tháo vỏ 4. Transcription - Phiên mã 5. Synthesis of virus components - Tổng hợp các thành phần 6. Assembly -Lắp ráp 7. Release - Giải phóng 9/18/2020 10 • Xảy ra phụ thuộc tần số va chạm ngẫu nhiên giữa hạt virus với tế bào ký chủ. • Khi bám được vào tế bào ký chủ, virus di chuyển đến điểm thụ cảm (receptor-là điểm có thành phần hóa học tương thích với virus). Hấp phụ của virus lên tế bào cảm thụ cảm Xâm nhập của virus vào trong tế bào cảm thụ • Virus tiết ra enzyme lizosime dung giải thành tế bào ký chủ, bao đuôi co lại, trục đuôi chọc thủng màng nguyên sinh chất và bơm acid Nucleic vào bên trong. • Phần vỏ nằm bên ngoài và không tham gia vào quá trình tái tạo hạt virus mới. 9/18/2020 11 Cơ chế nhập bào (Endocytosis) • Xảy ra cả với virus có và không có vỏ ngoài. • Màng tế bào lõm vào bao lấy virus để tạo không bào tạm thời. • Sau đó không bào sẽ bị dung hợp để giải phóng virus bên trong TB Cơ chế dung bào (Membrane Fusion) • Chỉ xảy ra ở virus có vỏ ngoài • Màng sinh chất trực tiếp dung hợp với vỏ ngoài của virus để giải phóng hạt virus vào trong tế bào. • Virus cung cấp thông tin di truyền cho tế bào vật chủ và bắt tế bào này tổng hợp ra các “nguyên liệu” dựa trên hệ thống trao đổi chất của tế bào kí chủ. • Các nguyên liệu sẽ được tiếp tục tạo thành các bộ phận của virus (vỏ protein và lõi axit nucleic) Quá trình tổng hợp các thành phần của virus 9/18/2020 12 DNA viruses • DNA của virus sẽ được nhân lên, sao mã ( tạo mRNA) và dịch mã từ mRNA tạo protein dựa trên hệ thống trao đổi chất của tế bào vật chủ. Quá trình tổng hợp Axit Nucleic và Protein RNA viruses • RNA của virus là khuôn để tổng hợp thêm RNA trong TB kí chủ. Một số lượng RNA sẽ đóng vai trò là khuôn để tông hơp protein, phần còn lại tham gia vào quá trình đóng gói để tạo nên các virus mới. • Trong một số virus, RNA được sao mã thành cDNA dưới tác dụng của enzyme sao mã ngược (reverse transcriptase ). cDNA sau đó sẽ được chèn vào DNA của TB kí chủ. Từ đó protein cần thiết cho quá trình tạo các virus mới sẽ được tổng hợp. 9/18/2020 13 • Một vài protein được tổng hợp rất sớm, gọi là các protein đầu kì (early protein), được tổng hợp ngay sau khi virus xâm nhập vào TB. VD: các enzyme để sao chép mRNA, các enzyme gắn DNA của virus vào hệ gen của tế bào chủ. • Protein giữa kì được tổng hợp muộn hơn một chút. VD: protein cấu trúc (vỏ capsid đầu và đuôi) và protein điều hành quá trình kết thúc sinh tổng hợp virus. • Một số protein được tổng hợp rất muộn gọi là protein cuối kì (late protein) được tổng hợp ở cuối của chu trình sinh sản của virus. VD: các enzyme tham gia lắp ráp và enzyme phá hủy thành tế bào vật chủ Quá trình tổng hợp protein • Đa số các virus thì protein của vỏ capsid tự lắp ghép lại, tạo nên cấu trúc rỗng, gọi là tiền capsid–procapsid. • Sau đó do va chạm ngẫu nhiên mà axit Nu chui vào trong procapsid và vỏ capsid tự hàn gắn lại. Quá trình lắp ráp các thành phần của virus (assembly) 9/18/2020 14 Axit Nu đông đặc, co cụm lại, phần protein của vỏ capsid gắn xung quanh tạo thành phần đầu. Đuôi và lông đuôi được gắn do va chạm ngẫu nhiên, do vậy cũng có thể xảy ra khiếm khuyết. • Virus tiết ra một lượng lớn enzyme lysozyme, dung giải thành TB vật chủ tại nhiều điểm và đồng thời giải phóng ồ ạt ra ngoài. • Hoặc vách TB bị phá vỡ do áp lực quá lớn gây ra từ số lượng đông đảo các virus được nhân lên. • Cơ chế từ từ: virus tiết một lượng nhỏ enzyme lysozyme, dung giải thành TB ký chủ tại một số điểm rồi từ từ thoát ra ngoài. • TH virus có vỏ ngoài: virus có thể thoát ra ngoài theo cơ chế nảy chồi (hay xuất bào) • TH virus có kích thước cực kỳ nhỏ bé: có thể giải phóng qua các lỗ nhỏ trên thành TB ký chủ. • Một số virus có thể truyền từ TB này sang TB khác thông qua cầu nối nguyên sinh chất giữa 2 TB mà không cần giải phóng ra khỏi TB Quá trình giải phóng virus 9/18/2020 15 Order - Family - Subfamily - Genus - Species - Strain/type Viralis - Viridae - Virinae - Virus Phân loại virus Viral species: A group of viruses sharing the same genetic information and ecological niche (host). Là nhóm virus giống nhau về thông tin di truyền cũng như ổ sinh thái hay vật chủ ký sinh. 9/18/2020 16 VIRUS GENOMES DNA RNA Single Stranded Double Stranded Circular + or - Segmented Double Stranded Segmented HELICAL ICOSAHEDRAL 9/18/2020 17 DNA VIRUSES PARVOVIRIDAE POLYOMAVIRIDAE ADENOVIRIDAE HERPESVIRIDAE HEPADNAVIRIDAE POXVIRIDAE RNA VIRUSES PICORNAVIRIDAE TOGAVIRIDAE FLAVIVIRIDAE REOVIRIDAE BUNYAVIRIDAE RHABDOVIRIDAE ARENAVIRIDAE RETROVIRIDAE ORTHOMYXOVIRIDAE PARAMYXOVIRIDAE CORONAVIRIDAE 9/18/2020 18 Hệ thống phân loại Baltimore Lớp I: Virus có genom là ADN kép, mARN được tổng hợp giống như ở tế bào, tức là dùng sợi ADN(-) làm khuôn. Lớp II: Virus có genom là ADN đơn. Ở thời điểm đưa ra hệ thống phân loại, khoa học mới chỉ biết đến genom ADN đơn, dương, nên khi phát hiện ra genom ADN âm thì lớp II được tách ra là IIa và IIb. Đối với genom ADN đơn, muốn tổng hợp mARN phải qua giai đoạn tổng hợp ADN kép trung gian, gọi là dạng sao chép (RF - replicative form). Lớp III: Virus có genom ARN kép. Một trong hai sợi tương đương với mARN. Lớp IV: Virus có genom ARN đơn, (+). Do có trình tự nucleotid trùng với trình tự nucleotid của mARN nên có thể dùng trực tiếp làm mARN. Lớp IV lại chia thành IVa và IVb dựa trên sự khác biệt về cơ chế biểu hiện và sao chép genom. Lớp V: Virus có genom ARN đơn, (-). Do có trình tự nucleotid ngược với trình tự nucleotid của mARN, nên không thể dùng trực tiếp làm mARN. Lớp V cũng được chia thành Va và Vb dựa trên sự khác biệt về cơ chế biểu hiện và sao chép genom. Lớp VI: Virus có genom là ARN. Trong quá trình biểu hiện và sao chép cần phải có giai đoạn tổng hợp phân tử ADN kép. 36 Phân biệt Viroids và Prions • Viroid là các phân tử ARN vòng, kích thước nhỏ không được bao bọc bởi lớp vỏ protein • Thường gây bệnh trên thực vật • Resemble introns cut out of eukaryotic copyright cmassengale 9/18/2020 19 37 Prions • Prions là các protein có khả năng lây nhiễm “infectious proteins” • Chúng là các protein bình thường nhưng có khả năng chuyển hóa thành các dạng cấu trúc xen kẽ (alternate configuration) khi tiếp xúc với các protein prion khác • Chúng không có DNA hoặc RNA • The main protein involved in human and mammalian prion diseases is called “PrP” copyright cmassengale 38 Prion Diseases • Các Prions dạng không hòa tan tập trung ở não (insoluble deposits in the brain) • Là nguyên nhân gây ra sự thoái hóa nhanh chóng của các neurons. • Mad cow disease (bovine spongiform encephalitis: BSE) is an example copyright cmassengale 9/18/2020 20 Vai trò của virus trong đời sống Gây bệnh cho người và động vật: Đậu mùa, đậu bò (Baculoviridae), Viêm gan B (Hepadnaviridae), Sốt Denge (Flaviviridae), SARS (Coronaviridae), Quai bị, sởi (Paramyxoviridae) Gây bệnh cho thực vật: Khảm thuốc lá (Tobamoviridae), Khảm đậu đũa (Cormoviridae), Khảm hoa lơ (Caulimoviridae) Sản xuất vacxin Sản xuất thuốc bảo vệ thực vật: jX174 (Microviridae), T4 (Myoviridae), T7 (Rodoviridae),  (Siphoviridae) Công cụ trong công nghệ sinh học: vector chuyển gen, DNA marker