mikrobiologi (Svenska)

alla virus beror på celler för reproduktion och metaboliska processer., I sig själva kodar virus inte för alla enzymer som är nödvändiga för virusreplikation. Men inom en värdcell kan ett virus kommendera cellulära maskiner för att producera mer virala partiklar. Bakteriofager replikerar endast i cytoplasman, eftersom prokaryota celler inte har en kärna eller organeller. I eukaryota celler kan de flesta DNA-virus replikera inuti kärnan, med ett undantag som observerats i de stora DNA-virusen, såsom poxvirus, som kan replikera i cytoplasman. RNA-virus som infekterar djurceller replikerar ofta i cytoplasman.,

livscykeln för virus med prokaryota värdar

livscykeln för bakteriofager har varit en bra modell för att förstå hur virus påverkar de celler de infekterar, eftersom liknande processer har observerats för eukaryota virus, vilket kan orsaka omedelbar död av cellen eller upprätta en latent eller kronisk infektion. Virulenta fager leder vanligtvis till cellens död genom celllys., Tempererade fager, å andra sidan, kan bli en del av en värdkromosom och replikeras med cellgenomet tills de induceras att göra nymonterade virus, eller avkomma virus.

den lytiska cykeln

under den lytiska cykeln av virulenta fager tar bakteriofagen över cellen, reproducerar nya fager och förstör cellen. T-even phage är ett bra exempel på en väl karaktäriserad klass av virulenta fager. Det finns fem steg i bakteriofaglytcykeln (se Figur 1)., Infästning är det första steget i infektionsprocessen där Fagen interagerar med specifika bakteriella ytreceptorer (t.ex. lipopolysackarider och OmpC-protein på värdytor). De flesta fager har ett smalt värdområde och kan infektera en art av bakterier eller en stam inom en art. Detta unika erkännande kan utnyttjas för målinriktad behandling av bakteriell infektion genom fagterapi eller för fagtypning för att identifiera unika bakteriella underarter eller stammar. Den andra etappen av infektion är inträde eller penetration., Detta sker genom sammandragning av svansmanteln, som verkar som en hypodermisk nål för att injicera det virala genomet genom cellväggen och membranet. Faghuvudet och de återstående komponenterna förblir utanför bakterierna.

Figur 1. En virulent Fage visar bara den lytiska cykeln avbildad här. I lytcykeln replikerar och lyserar fagcellen värdcellen.

den tredje etappen av infektion är biosyntes av nya viruskomponenter., Efter att ha gått in i värdcellen syntetiserar viruset viruskodade endonukleaser för att försämra bakteriekromosomen. Det kapar sedan värdcellen för att replikera, transkribera och översätta de nödvändiga virala komponenterna (kapsomerer, mantel, basplattor, svansfibrer och virala enzymer) för montering av nya virus. Polymerasgener uttrycks vanligtvis tidigt i cykeln, medan kapsid-och svansproteiner uttrycks senare. Under mognadsfasen skapas nya virioner. För att frigöra fria fager störs bakteriecellväggen av fagproteiner som holin eller lysozym., Det sista steget är release. Mogna virus brast ut ur värdcellen i en process som kallas lysis och avkomma virus frigörs i miljön för att infektera nya celler.

den lysogena cykeln

i en lysogen cykel kommer faggenomet också in i cellen genom fastsättning och penetration. Ett utmärkt exempel på en fag med denna typ av livscykel är lambda phage. Under den lysogena cykeln, istället för att döda värden, integrerar faggenomet i bakteriekromosomen och blir en del av värden. Det integrerade faggenomet kallas en profag., En bakteriell värd med en profag kallas en lysogen. Processen där en bakterie infekteras av en tempererad FAG kallas lysogeni. Det är typiskt för tempererade fager att vara latent eller inaktiv i cellen. När bakterien replikerar sin kromosom, replikerar den också Fagens DNA och skickar den vidare till nya dotterceller under reproduktion. Närvaron av fagen kan förändra bakteriens fenotyp, eftersom den kan ge extra gener (t.ex. toxingener som kan öka bakteriens virulens)., Denna förändring i värdfenotypen kallas lysogen omvandling eller fagomvandling. Vissa bakterier, såsom Vibrio cholerae och Clostridium botulinum, är mindre virulenta i frånvaro av profetian. De fager som infekterar dessa bakterier bär toxingenerna i deras genom och förbättrar virulensen hos värden när toxingenerna uttrycks. I fallet med V. kolera kan FAG-kodat toxin orsaka allvarlig diarré; i C. botulinum kan toxinet orsaka förlamning., Under lysogeni kommer profetian att kvarstå i värdkromosomen tills induktion, vilket resulterar i excision av virusgenomet från värdkromosomen. Efter induktion har inträffat kan den tempererade Fagen fortsätta genom en lytisk cykel och sedan genomgå lysogeni i en nyinfekterad cell (se Figur 2).

Figur 2. En tempererad bakteriofag har både lytiska och lysogena cykler. I lysogencykeln ingår FAG-DNA i värdgenomet och bildar en profag, som vidarebefordras till efterföljande generationer av celler., Miljöstressorer som svält eller exponering för giftiga kemikalier kan leda till att profetian skärs ut och går in i lytcykeln.

transduktion

transduktion inträffar när en bakteriofag överför bakteriellt DNA från en bakterie till en annan under sekventiella infektioner., Det finns två typer av transduktion: generaliserad och specialiserad transduktion. Under den lytiska cykeln av virusreplikation kapar viruset värdcellen, försämrar värdkromosomen och gör fler virala genomer. När det monterar och paketerar DNA i faghuvudet gör förpackningen ibland ett misstag. Istället för att paketera viralt DNA tar det en slumpmässig bit värd-DNA och infogar den i kapsiden. När denna virion har släppts kommer den tidigare värdens DNA att injiceras i en nyinfekterad värd., Den asexuella överföringen av genetisk information kan möjliggöra DNA-rekombination att inträffa, vilket ger den nya värden nya gener (t.ex. en antibiotikaresistensgen eller en sockermetaboliserande gen).

generaliserad transduktion inträffar när en slumpmässig bit av bakteriekromosomalt DNA överförs av fagen under den lytiska cykeln. Specialiserad transduktion sker i slutet av lysogencykeln, när profetian skärs ut och bakteriofagen går in i lytcykeln. Eftersom Fagen är integrerad i värdgenomet kan profetian replikera som en del av värden., Vissa villkor (t.ex. exponering för ultraviolett ljus eller kemisk exponering) stimulerar emellertid profetian att genomgå induktion, vilket leder till att FAG kommer från genomet, går in i lytcykeln och producerar nya fager för att lämna värdceller. Under excisionsprocessen från värdkromosomen kan en fag ibland avlägsna något bakteriellt DNA nära platsen för virusintegration. Phage och värd-DNA från ena änden eller båda ändarna av integrationsplatsen är förpackade i kapsiden och överförs till den nya infekterade värden., Eftersom det DNA som överförs av fagen inte slumpmässigt förpackas utan istället är en specifik bit DNA nära integrationsplatsen, kallas denna mekanism för genöverföring specialiserad transduktion (se Figur 3). DNA kan sedan rekombineras med värdkromosom, vilket ger de senare nya egenskaperna. Transduktion verkar spela en viktig roll i den evolutionära processen av bakterier, vilket ger dem en mekanism för asexuell utbyte av genetisk information.

Figur 3., Detta flödesschema illustrerar mekanismen för specialiserad transduktion. En integrerad FAG excises, föra med sig en bit av DNA intill dess införingspunkt. Vid återinfektion av en ny bakterie integrerar FAG-DNA tillsammans med det genetiska materialet som förvärvats från den tidigare värden.

livscykel för virus med djurvärdar

lytiska djurvirus följer liknande infektionsstadier till bakteriofager: fastsättning, penetration, biosyntes, mognad och frisättning (se Figur 4). Emellertid skiljer sig mekanismerna för penetration, nukleinsyrabiosyntes och frisättning mellan bakterie-och djurvirus. Efter bindning till värdreceptorer kommer djurvirus in genom endocytos (engulfment av värdcellen) eller genom membranfusion (viralt kuvert med värdcellmembranet)., Många virus är värdspecifika, vilket innebär att de bara infekterar en viss typ av värd; och de flesta virus infekterar endast vissa typer av celler i vävnader. Denna specificitet kallas en vävnads tropism. Exempel på detta demonstreras av polioviruset, som uppvisar tropism för vävnaderna i hjärnan och ryggmärgen, eller influensaviruset, som har en primär tropism för luftvägarna.

Figur 4. Vid influensavirusinfektion fäster virala glykoproteiner viruset till en värd epitelcell. Som ett resultat är viruset uppslukat., Virala RNA och virala proteiner görs och monteras i nya virioner som frigörs genom spirande.

djurvirus uttrycker inte alltid sina gener med det normala flödet av genetisk information—från DNA till RNA till protein. Vissa virus har en dsDNA genom som cellulära organismer och kan följa det normala flödet. Andra kan dock ha ssDNA, dsRNA eller ssRNA genom. Genomets natur bestämmer hur genomet replikeras och uttrycks som virala proteiner., Om ett Genom är ssDNA, kommer värdenzymer att användas för att syntetisera en andra sträng som kompletterar genomsträngen och därigenom producerar dsDNA. DsDNA kan nu replikeras, transkriberas och översättas som värd-DNA.

om virusgenomet är RNA måste en annan mekanism användas. Det finns tre typer av RNA genom: dsRNA, positiv ( + ) en − strand (+ssRNA) eller negativ (-) en−strand RNA (- ssRNA). Om ett virus har ett + ssRNA genom kan det översättas direkt för att göra virala proteiner. Viral genomisk +ssRNA fungerar som cellulära mRNA., Om ett virus innehåller a-ssRNA-genomet kan värdribosomerna emellertid inte översätta det förrän-ssRNA replikeras till + ssRNA med viralt RNA-beroende RNA-polymeras (RdRP) (se Figur 5). Den rdrp förs in av viruset och kan användas för att göra +ssRNA från den ursprungliga −ssRNA genomet. RdRP är också ett viktigt enzym för replikering av dsRNA-virus, eftersom det använder den negativa strängen av det dubbelsträngade genomet som en mall för att skapa +ssRNA. De nyligen syntetiserade +ssRNA kopiorna kan sedan översättas av cellulära ribosomer.,

Figur 5. RNA-virus kan innehålla + ssRNA som kan läsas direkt av ribosomerna för att syntetisera virala proteiner. Virus som innehåller-ssRNA måste först använda-ssRNA som en mall för syntes av +ssRNA innan virala proteiner kan syntetiseras.

en alternativ mekanism för viral nukleinsyrasyntes observeras i Retrovirus, som är +ssRNA-virus (se Figur 6)., Singelsträngade RNA-virus som HIV bär ett speciellt enzym som kallas omvänd transkriptas inom kapsiden som syntetiserar en komplementär ssDNA (cDNA) kopia med hjälp av +ssRNA genom som en mall. SsDNA görs sedan i dsDNA, som kan integreras i värdkromosomen och bli en permanent del av värden. Det integrerade virala genomet kallas ett provirus. Viruset kan nu förbli i värden under lång tid för att upprätta en kronisk infektion. Provirusstadiet liknar profagstadiet i en bakteriell infektion under lysogen cykel., Men till skillnad från profage genomgår proviruset inte excision efter att ha skarvat in i genomet.

Figur 6. Klicka för en större bild. HIV, ett höljt, icosahedral retrovirus, fäster vid en cellytreceptor av en immuncell och säkringar med cellmembranet. Virusinnehåll frigörs i cellen, där virala enzymer omvandlar det enkelsträngade RNA-genomet till DNA och införlivar det i värdgenomet., (credit: modification of work by NIAID, NIH)

ihållande infektioner

ihållande infektion uppstår när ett virus inte är helt rensas från systemet av värden men stannar i vissa vävnader eller organ i den infekterade personen. Viruset kan tiga eller genomgå produktiv infektion utan att allvarligt skada eller döda värden., Mekanismer för ihållande infektion kan innebära reglering av virus-eller värdgenuttryck eller ändring av värdimmunsvaret. De två primära kategorierna av ihållande infektioner är latent infektion och kronisk infektion. Exempel på virus som orsakar latenta infektioner är herpes simplexvirus (oral och genital herpes), varicella-zostervirus (vattkoppor och bältros) och Epstein-Barr-virus (mononukleos). Hepatit C-virus och HIV är två exempel på virus som orsakar långvariga kroniska infektioner.,

Latent infektion

alla djurvirus genomgår inte replikation genom lytcykeln. Det finns virus som kan förbli dolda eller vilande inuti cellen i en process som kallas latens. Dessa typer av virus är kända som latenta virus och kan orsaka latenta infektioner. Virus som kan latens kan initialt orsaka en akut infektion innan de blir vilande.

till exempel infekterar varicella-zosterviruset många celler i hela kroppen och orsakar vattkoppor, som kännetecknas av utslag av blåsor som täcker huden., Om 10 till 12 dagar efter infektion, löser sjukdomen och viruset går vilande, lever inom nervcellsganglier i flera år. Under denna tid dödar viruset inte nervcellerna eller fortsätter replikera. Det är inte klart varför viruset slutar replikera inom nervcellerna och uttrycker få virala proteiner, men i vissa fall, vanligtvis efter många år av dvala, viruset reaktiveras och orsakar en ny sjukdom som kallas bältros (Figur 7)., Medan vattkoppor påverkar många områden i hela kroppen, är bältros en nervcellsspecifik sjukdom som kommer från ganglierna där viruset var vilande.

Figur 7. (a) Varicella-zoster, viruset som orsakar vattkoppor, har en omslagen icosahedral kapsid synlig i denna transmissionselektronmikrograf. Dess dubbelsträngade DNA-genom blir införlivat i värd-DNA. B) efter en latensperiod kan viruset återaktivera i form av bältros, som vanligtvis uppträder som ett smärtsamt, lokaliserat utslag på ena sidan av kroppen., (kredit a: ändring av arbete med Erskine Palmer och B. G. Partain—skala-bar data från Matt Russell); kredit-b: modifiering av arbete med Rosmarie Voegtli)

ett Latent virus kan förbli vilande genom befintliga cirkulära virala genomet molekyler utanför värdens kromosom. Andra blir provirus genom att integrera i värdgenomet. Under viloläge orsakar virus inga symtom på sjukdom och kan vara svåra att upptäcka. En patient kan vara omedveten om att han eller hon bär viruset om inte ett viralt diagnostiskt test har utförts.,

kronisk infektion

en kronisk infektion är en sjukdom med symptom som är återkommande eller ihållande under lång tid. Vissa virusinfektioner kan vara kroniska om kroppen inte kan eliminera viruset. HIV är ett exempel på ett virus som producerar en kronisk infektion, ofta efter en lång period av latens. När en person blir smittad med HIV kan viruset detekteras i vävnader kontinuerligt därefter, men obehandlade patienter upplever ofta inga symptom i flera år., Viruset upprätthåller emellertid kronisk persistens genom flera mekanismer som stör immunfunktionen, inklusive att förhindra uttryck av virala antigener på ytan av infekterade celler, förändra immunceller själva, begränsa uttryck av virala gener och snabbt ändra virala antigener genom mutation. Så småningom resulterar skadorna på immunsystemet i sjukdomsprogression som leder till förvärvat immunbristsyndrom (AIDS)., De olika mekanismer som HIV använder för att undvika att rensas av immunsystemet används också av andra kroniskt infekterande virus, inklusive hepatit C-virus.

livscykel för virus med Växtvärdar

växtvirus liknar mer djurvirus än bakteriofager. Växtvirus kan vara omslutna eller icke-omslutna. Liksom många djurvirus kan växtvirus ha antingen ett DNA-eller RNA-genom och vara singel strandsatta eller dubbla strandsatta., De flesta växtvirus har dock inte ett DNA-genom; majoriteten har ett + ssRNA-genom, som fungerar som messenger RNA (mRNA). Endast en minoritet av växtvirus har andra typer av genom.

växtvirus kan ha ett smalt eller brett värdområde. Till exempel infekterar citrus tristeza-viruset bara några växter av Citrussläktet, medan gurka mosaikviruset infekterar tusentals växter av olika växtfamiljer. De flesta växtvirus överförs genom kontakt mellan växter, eller av svampar, nematoder, insekter eller andra leddjur som fungerar som mekaniska vektorer., Vissa virus kan dock endast överföras av en viss typ av insektsvektor; till exempel kan ett visst virus överföras av bladlöss men inte whiteflies. I vissa fall kan virus också komma in friska växter genom sår, som kan uppstå på grund av beskärning eller väderskador.

virus som infekterar växter anses vara biotrofa parasiter, vilket innebär att de kan etablera en infektion utan att döda värden, som liknar vad som observeras i bakteriofagernas lysogena livscykler. Virusinfektion kan vara asymptomatisk (latent) eller kan leda till celldöd (lytisk infektion)., Livscykeln börjar med virusets penetration i värdcellen. Därefter är viruset obelagt inom cellens cytoplasma när kapsiden avlägsnas. Beroende på typen av nukleinsyra används cellulära komponenter för att replikera det virala genomet och syntetisera virala proteiner för montering av nya virioner. För att upprätta en systemisk infektion måste viruset komma in i en del av växtens kärlsystem, såsom floem. Den tid som krävs för systemisk infektion kan variera från några dagar till några veckor beroende på viruset, växtarterna och miljöförhållandena., Virusets livscykel är klar när den överförs från en infekterad växt till en hälsosam växt.

Viral tillväxtkurva

Till skillnad från tillväxtkurvan för en bakteriell population följer tillväxtkurvan för en viruspopulation under dess livscykel inte en sigmoidal kurva. Under det inledande skedet orsakar ett inokulat av virus infektion. I förmörkelsefasen binder virus och tränger in i cellerna utan virioner som detekteras i mediet., Den främsta skillnaden som nästa visas i den virala tillväxtkurvan jämfört med en bakteriell tillväxtkurva uppstår när virioner frigörs från lyserade värdcellen samtidigt. En sådan förekomst kallas en burst, och antalet virioner per bakterie som frigörs beskrivs som sprängstorleken. I ett steg multiplikationskurva för bakteriofag lyse värdceller, släppa många viruspartiklar till mediet, vilket leder till en mycket brant ökning av virustiter (antalet virioner per volymenhet)., Om inga livsdugliga värdceller kvarstår, börjar viruspartiklarna försämras under kulturens nedgång (se figur 8).

figur 8. En stegs multiplikationskurva för en bakteriofagpopulation följer tre steg: 1) ympning, under vilken virionerna fäster vid värdceller; 2) förmörkelse, under vilken inträde av virusgenomet inträffar; och 3) brista, när tillräckligt antal nya virioner produceras och kommer ut ur värdcellen. Sprängstorleken är det maximala antalet virioner som produceras per bakterie.,

Ebola i USA

den 24 September 2014 kom Thomas Eric Duncan till Texas Health Presbyterian Hospital i Dallas klagar över feber, huvudvärk, kräkningar och diarré—symtom som vanligen observeras hos patienter med förkylning eller influensa., Efter undersökning diagnostiserade en akutläkare honom med bihåleinflammation, föreskrev vissa antibiotika och skickade honom hem. Två dagar senare återvände Duncan till sjukhuset med ambulans. Hans tillstånd hade försämrats och ytterligare blodprov bekräftade att han har smittats med Ebolaviruset.

ytterligare undersökningar visade att Duncan just hade återvänt från Liberia, ett av länderna mitt i en allvarlig Ebolaepidemi., Den 15 September, nio dagar innan han dök upp på sjukhuset i Dallas, hade Duncan hjälpt till att transportera en Ebola-drabbad granne till ett sjukhus i Liberia. Sjukhuset fortsatte att behandla Duncan, men han dog flera dagar efter att ha blivit antagen.

Figur 9. Forskare som arbetar med Ebolavirus använder lager av försvar mot oavsiktlig infektion, inklusive skyddskläder, andningssystem och negativa lufttrycksskåp för bänkarbete. (kredit: ändring av arbete av Randal J., Schoepp)

tidslinjen för Duncan-fallet är en indikation på livscykeln för Ebolaviruset. Inkubationstiden för Ebola varierar från 2 dagar till 21 dagar. Nio dagar gick mellan Duncans exponering för virusinfektionen och utseendet på hans symtom. Detta motsvarar delvis förmörkelseperioden i tillväxten av viruspopulationen. Under förmörkelsefasen hade Duncan inte kunnat överföra sjukdomen till andra. Men när en smittad individ börjar uppvisa symptom blir sjukdomen mycket smittsam., Ebolavirus överförs genom direkt kontakt med droppar av kroppsvätskor som saliv, blod och kräkningar. Duncan kunde möjligen ha överfört sjukdomen till andra när som helst efter att han började få symptom, förmodligen en tid före sin ankomst till sjukhuset i Dallas. När ett sjukhus inser att en patient som Duncan är infekterad med Ebolavirus, sätts patienten omedelbart i karantän och folkhälsotjänstemän initierar ett spår för att identifiera alla med vilka en patient som Duncan kan ha interagerat under den period då han visade symtom.,

folkhälsopersonal kunde spåra 10 högriskpersoner (familjemedlemmar till Duncan) och 50 lågriskpersoner för att övervaka dem för tecken på infektion. Ingen drabbades av sjukdomen. Men en av sjuksköterskorna som anklagades för Duncans vård blev smittad. Detta, tillsammans med Duncans initiala feldiagnos, gjorde det klart att amerikanska sjukhus behövde ge ytterligare utbildning till medicinsk personal för att förhindra ett eventuellt Ebola-utbrott i USA.

• vilka typer av utbildning kan förbereda vårdpersonal att innehålla nya epidemier som Ebola utbrott av 2014?,
• vad är skillnaden mellan en smittsam patogen och en smittsam patogen?