Tema 3 Organización Del Genoma En Virus PDF

Tema 3 TEMA 3. ORGANIZACIÓN DEL GENOMA EN VIRUS ¿Qué son los virus? Características básicas del genoma de los virus Clasificación según su material hereditario Bacteriófagos de DNA y de RNA, virus de arqueas Virus eucariotas de DNA y de RNA Evolución de virus Viroides y RNAs satélite: cara...

Tema 3 TEMA 3. ORGANIZACIÓN DEL GENOMA EN VIRUS ¿Qué son los virus? Características básicas del genoma de los virus Clasificación según su material hereditario Bacteriófagos de DNA y de RNA, virus de arqueas Virus eucariotas de DNA y de RNA Evolución de virus Viroides y RNAs satélite: características generales 1  Tema 3 1. ¿Qué son los virus? Los virus pueden ser definidos como elementos genéticos parasitarios cuyas principales características son: * Poseen una estructura proteica que sirve para el almacenamiento y dispersión de la información genética (cápside y a veces envoltura externa: a, b) * Contienen un genoma que codifica proteínas implicadas en su replicación y en la formación de la cápside, pero no en la traducción * Presentan un “ciclo de vida” discontinuo que consiste en dos estados: ‐ Intracelular: donde el virus se comporta como un sistema metabólicamente activo ‐ Extracelular: donde el virus es metabólicamente inerte Su reproducción es el resultado de la interacción entre dos sistemas genéticos (vírico, celular) Por tanto, el virus depende funcionalmente de la célula, aunque es capaz de evolucionar de forma independiente 2  Tema 3 1. ¿Qué son los virus? Las aproximaciones genómicas aplicadas al estudio de virus tienen diferentes objetivos: * Caracterización de genomas virales (estructura, contenido genético) * Desarrollo de terapias o vacunas * Detección de patógenos virales y descubrimiento de nuevos virus  diagnóstico * Caracterización de sitios de integración viral (virus relacionados con cáncer: HBV, HPV) Flippot et al. 2016 * Monitorización de resistencias a drogas antivirales (HIV‐1, HCV): detección de mutaciones * Control de calidad de vacunas basadas en virus atenuados: detección de revertientes * Estudios sobre diversidad (variantes), evolución y expansión de virus: evolución de pandemias (SARS‐CoV‐2) HBV + HCV: hepatitis B/C virus; HPV: human papillomavirus; HIV‐1: human immunodeficiency virus 3  Tema 3 2. Características básicas del genoma de virus 1. Comunes a todos los virus: ‐ Alto grado de condensación genética * El tamaño del genoma está limitado por el tamaño de la cápside * Pocos genes: codifican únicamente funciones que no pueden adoptar del huésped ‐ Utilizan a la célula hospedadora en mayor o menor grado * Deben ser compatibles con el sistema genético del huésped (parásitos de la maquinaria de traducción) 2. Exclusivas de algunos virus: ‐ Relacionadas con la organización y expresión de genes * Genes superpuestos: X174, MS2 * Control temporal de la expresión génica: T7, SV40 * Genes que codifican poliproteínas: Poliovirus * Procesado alternativo de transcritos: HIV‐1 4  Tema 3 3. Clasificación según su material hereditario NCBI (National Center for Biotechnology information) virus: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/virus/vssi/#/ 5  Tema 3 3. Clasificación según su material hereditario Clasificación de Baltimore (1977) I: Double‐stranded DNA V: Single‐stranded (‐) sense RNA II: Single‐stranded (+) sense DNA VI: Single‐stranded (+) sense RNA with DNA III: Double‐stranded RNA intermediate in life‐cycle IV: Single‐stranded (+) sense RNA VII: Gapped double‐stranded DNA with RNA segments (hepadnavirus, hepatitis B) The Baltimore classification: https://www.youtube.com/watch?v=8b6EYMKMA‐8 6  Tema 3 3. Clasificación según su material hereditario Koonin et al. 2021 7  Tema 3 3. Clasificación según su material hereditario Virus de RNA (eucariotas) – clasificación jerárquica atendiendo a otros criterios 8  Tema 3 3. Clasificación según su material hereditario Virus de DNA (eucariotas) – clasificación jerárquica atendiendo a otros criterios VII: hepadnavirus 9  Tema 3 4. Bacteriófagos de DNA y RNA BACTERIÓFAGOS ‐ Virus que infectan bacterias ‐ La cubierta proteica (cápside) presenta 3 estructuras básicas: * icosaédrica o esférica (MS2, PM2) * filamentosa o helicoidal (M13) * compleja o cabeza y cola (T4, lambda, SPO1) ‐ Sus genomas tienen diferentes estructuras y organizaciones (DNA‐RNA, lineal‐circular, single‐double stranded, una molécula‐segmentado) ‐ Diferencias en número y disposición de genes 10  Tema 3 4. Bacteriófagos de DNA y RNA Bacteriófago X174 ‐ DNA circular de cadena sencilla (+), clase II (5,4 kb) ‐ Primer virus de DNA completamente secuenciado (Sanger et al. 1977) ‐ Genes superpuestos (o solapados): una misma secuencia codifica dos proteínas en distintas pautas de lectura (máximo aprovechamiento del genoma) ‐ Primer genoma viral obtenido in vitro (Smith et al. 2003) 11  Tema 3 4. Bacteriófagos de DNA y RNA Bacteriófago MS2 ‐ RNA lineal de cadena sencilla (+), clase IV (3,6 kb) ‐ Primer genoma de RNA secuenciado (1976) ‐ Genes superpuestos ‐ Codifica 4 proteínas: 1. Maturation protein. Adsorción a la célula huésped y ensamblaje 2. Replicase. RNA polimerasa dependiente de RNA 3. Coat. Proteína de la cápside 4. Lysis protein. Rotura de la célula huésped 12  Tema 3 4. Bacteriófagos de DNA y RNA Bacteriófago T7 ‐ DNA lineal de cadena doble, clase I (39,9 kb): 60 genes ‐ Tres grupos de genes que se expresan secuencialmente (control temporal) : Clase I, RNA polimerasa e interferencia con el huésped (hasta 1.3) Clase II, replicación del DNA y lisis del huésped (1.7‐6) Clase III, estructura y ensamblaje de nuevos virus (7‐19) Evita los sistemas de defensa de la célula (0.3, 0.7) Obtiene los nucleótidos necesarios para la replicación (genoma del huésped) 13  Tema 3 4. Virus de arqueas VIRUS DE ARQUEAS ‐ Material genético: DNAds o DNAss ‐ Mayor diversidad morfológica que los bacteriófagos Pietilä et al. 2014 14  Tema 3 5. Virus eucariotas de DNA y RNA VIRUS EUCARIOTAS - Las cápsides de los virus eucariotas son filamentosas o icosaédricas - Pueden estar rodeadas de una membrana lipídica que deriva del huésped y modificada por inserción de proteínas (animales) ‐ Sus genomas tienen diferentes estructuras y organizaciones 15  Tema 3 5. Virus eucariotas de DNA y RNA Virus de RNA: Poliovirus (PV1) ‐ RNA lineal de cadena sencilla (+), clase IV (7,6 kb) ‐ El RNA es traducido al entrar en la célula (secuencia IRES) ‐ Codifica una poliproteína que se autoprocesa (actividad proteasa)  11 proteínas ‐ Proteína Vpg unida al RNA (necesaria para la replicación) Muslin et al. 2019 De Jesús 2007 IRES: internal ribosomal entry site 16  Tema 3 5. Virus eucariotas de DNA y RNA Virus de RNA: Retrovirus ‐ RNA lineal de cadena sencilla (+), clase VI (6‐10 kb) ‐ Dos copias idénticas por virión ‐ Utiliza una transcriptasa reversa (RT) para generar copias de DNA ‐ Necesita integrarse en el genoma del huésped para su replicación ‐ Estructura básica: LTRs (long terminal repeats) + genes gag, pol (RT, proteasa, integrasa) y env 17  Tema 3 5. Virus eucariotas de DNA y RNA Ejemplo de retrovirus: HIV‐1 ‐ RNA lineal de cadena sencilla (+), clase VI (9,7 kb) ‐ 9 genes (algunos superpuestos) ‐ Procesado alternativo, frameshift traduccional, sitios alternativos de splicing, y codones alternativos de inicio de la traducción early 18  Tema 3 6. Evolución de virus EVOLUCIÓN DE VIRUS (I) * Los virus de DNA son más estables y utilizan la maquinaria de replicación de la célula hospedadora durante la síntesis de sus genomas (¿reparación en dsDNA?) * Los virus de RNA codifican sus propias transcriptasas o replicasas (↑ tasa error) Presentan gran variabilidad genética en las poblaciones virales: a) Diferencias genéticas entre los aislados víricos de distintos hospedadores b) Diferencias genéticas dentro de aislados pertenecientes a diferentes fases del mismo proceso infectivo c) Diferencias genéticas entre los aislados de distintos tejidos del mismo individuo, o de distintas partes de un mismo órgano o tejido * La evolución de virus está determinada por: ↓ tamaños genómicos ↑ tamaños poblacionales ↓ empos de generación ↑ tasas de mutación (especialmente en virus de RNA) Ryu 2017 19  6. Evolución de virus Tema 3 EVOLUCIÓN DE VIRUS (II)  En virus de DNA la replicación depende fundamentalmente de la célula hospedadora, por lo que frecuentemente coevolucionan con esta (evolución recíproca antagonista)  La evolución de virus de RNA es independiente  La variabilidad genómica deriva de procesos de: Recombinación. Especialmente importante en virus de DNA (favorecida por el alto número de genomas presentes en la célula infectada) Mutación. Su mayor fuente de variabilidad (errores en la replicación) Reordenamientos y reagrupación de fragmentos genómicos (ej. virus con genomas segmentados como el de la gripe A) Johnson et al. 2017 20  Tema 3 7. Viroides y RNAs satélite: características generales VIROIDES ‐ Identificados en los años 70 ‐ Algunos son patógenos comunes en plantas y frutales ‐ ssRNAs circulares (200‐400 nt) ‐ Sin genes ni cápside (agentes subvirales) ‐ Forman estructuras secundarias  protección frente a nucleasas ‐ Dos familias: Pospiviroidae (a) y Avsunviroidae (b,c) ‐ Pueden interferir con la producción y expresión de RNAs celulares (silenciamiento génico) Flores et al. 2014 21  Tema 3 7. Viroides y RNAs satélite: características generales Estas moléculas son replicadas por enzimas del huésped  mecanismo círculo rodante oligomérica monomérica HHRz, hammerhead ribozyme Flores et al. 2014 NEP, nuclear‐encoded polymerase 22  Tema 3 7. Viroides y RNAs satélite: características generales REPLICONES SIMILARES A VIROIDES RNAs satélite ‐ ssRNAs circulares (viroid‐like) o lineales ‐ Se trasladan de una célula a otra dentro de la cápside de virus auxiliares (Helper Virus, HV) ‐ Se les considera parásitos de los virus auxiliares Rao y Kalantidis 2015 23  Tema 3 Bibliografía Capítulos de libros Capítulo 9: Viral genomes and mobile genetic elements. Brown TA. (2017, 2023). Genomes 4 y Genomes 5. Garland Science, CRC Press. Capítulos 1 y 21: Genes are DNA and Encode RNAs and Polypeptides; Catalytic RNA. Krebs JE, Goldstein ES y Kilpatrick ST. (2017). Lewin’s Genes XII. Jones & Barlett Publishers. Capítulo 5: Genomics of prokaryotes and viruses. Lesk AM. (2017). Introduction to Genomics. Oxford. Capítulo 9: Bacterial and Viral Genetic Systems Pierce B. A. (2020). Genetics: A conceptual approach, 7th edition. Mcmillan Learning Artículos De Jesus NH. (2007). Epidemics to eradication: the modern history of poliomyelitis. Virol J 4: 70. Flippot R, Malouf GG, Su X, Khayat D, Spano JP. (2016). Oncogenic viruses: Lessons learned using next‐generation sequencing technologies. Eur J Cancer 61:61‐8. Flores R, Gago‐Zachert S, Serra P, Sanjuán R, Elena SF. (2014). Viroids: survivors of the RNA world? Annu Rev Microbiol 68: 395‐414. Johnson K, Song T, Greenbaum B, Ghedin E. (2017). Getting the flu: 5 key facts about influenza virus evolution. PLoS Pathog 13: e1006450. Koonin EV, Krupovic M, Agol VI. (2021). The Baltimore Classification of Viruses 50 Years Later: How Does It Stand in the Light of Virus Evolution? Microbiol Mol Biol Rev 85(3):e0005321. Muslin C, Mac Kain A, Bessaud M, Blondel B, Delpeyroux F. (2019). Recombination in Enteroviruses, a Multi‐Step Modular Evolutionary Process. Viruses 11(9):859. Pietilä MK, Demina TA, Atanasova NS, Oksanen HM, Bamford DH. (2014). Archaeal viruses and bacteriophages: comparisons and contrasts. Trends Microbiol 22: 334‐44. Rao ALN, Kalantidis K. (2015). Virus‐associated small satellite RNAs and viroids display similarities in their replication strategies. Virology 479‐ 480: 627‐36. Ryu WS. (2017). Discovery and Classification. Molecular Virology of Human Pathogenic Viruses, 3‐20. Sanger F, Air GM, Barrell BG, Brown NL, Coulson AR, Fiddes CA, Hutchison CA, Slocombe PM, Smith M. (1977). Nucleotide sequence of bacteriophage φX174 DNA. Nature 265: 687–95. Smith HO, Hutchison CA 3rd, Pfannkoch C, Venter JC. (2003). Generating a synthetic genome by whole genome assembly: phiX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides. Proc Natl Acad Sci USA 100: 15440‐5. Recursos online Complete viruses genomes: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/GenomesGroup.cgi?taxid=10239 Mecanismos de replicación según clasificación de Baltimore: https://genotipia.com/virus‐reproduccion/ 24