Viroloxía

A viroloxía é unha rama da microbioloxía que estuda os virus, partículas submicroscopicas de material xenético (ADN ou ARN) contido nunha cápside proteica, así como outras partículas similares a virus (viroides, virusoides). Esta rama da bioloxía céntrase no estudo dos seguintes aspectos dos virus: estrutura, clasificación e evolución, mecanismos de infección e explotación da célula hóspede con fins reprodutivos, interacción coa fisioloxía do organismo infectado e inmunidade, doenzas causadas, técnicas de illamento e cultivo, terapia xénica, e utilización en investigación e desenvolvemento. A viroloxía é considerada un subcampo da microbioloxía e a medicina.
A súa investigación inclúe: A replicación viral
Os patóxenos virais
A inmunoloxía viral
As vacinas virais
Os métodos de diagnósticos de virus
A quimioterapia antiviral
As medidas de control dunha infección viral
Os diferentes signos clínicos que manifestan a presenza dun virus
A orixe dos elementos virais endóxenos Historia da viroloxía
O termo virus apareceu en 1599. O seu significado orixinal é "veleno", e tardou en adquirir o seu significada actual.
Séculos XVIII e XIX
Os primeiros descubrimentos sobre os virus tiveron que ver coas súas vacinas, moito antes de coñecerse que era exactamente un virus. Unha das primeiras formas de vacinación contra a varíola desenvolveuse hai varios milenios na China. Consistía na aplicación de residuos de pacientes de varíola (tecidos ou fluídos) de doentes, co obxectivo de inmunizar a persoas sas. En 1717 Mary Wortley Montagu observou dita práctica en Istambul, e intentou popularizala en Gran Bretaña, de maneira infrutuosa. Era unha práctica relativamente perigosa, xa que se inoculaban virus viables da varíola, aínda que atenuados. En 1796 Edward Jenner desenvolveu un método máis seguro, utilizando residuos de varíola de orixe bovina (varíola da vacas ou cowpox), conseguindo a inmunización exitosa da primeira persoa, o que permitiu a adopción xeneralizada de dita práctica. Posteriormente desenvolvéronse outras vacinas exitosas contra outras enfermidades virais, como a da rabia de Louis Pasteur, obtida en 1886. Porén, nesa época, a natureza dos virus era aínda descoñecida.
En 1892 Dmitri Ivanovsky demostrou que a enfermidade do mosaico do tabaco, era causada por un axente "invisible" altamente contaxioso, que podía pasar a través dun filtro de porcelana Chamberland que as bacterias non poden atravesar. En 1898 Martinus Beijerinck repetiu o traballo de Ivanovski. Adicionalmente, logrou a transferencia de dito "axente filtrable" dunha planta a outra. Os seus experimentos permitíronlle concluír que dito axente contaxioso podía replicarse no novo hospedador, o que significaba que non se trataba simplemente dunha toxina, e chamouno contagium vivum fluidum. A cuestión de se o axente era un "fluído vivente " ou unha partícula aínda non estaba resolta.
Século XX
En 1903 propúxose por primeira vez que a transdución mediada por virus podería causar cancro. En 1908 Bang e Ellerman demostraron que un filtrado de orixe viral podía transmitir a leucemia aviar; observacións que foron ignoradas ata o momento en que a leucemia se considerou como un estado canceroso. En 1911 Peyton Rous demostrou a transmisión da leucemia aviar, un tumor sólido, mediada por un virus, e grazas a isto foi considerado o "pai da viroloxía tumoral". O virus foi denominado virus do sarcoma de Rous, e clasificouse como un retrovirus. Desde entón, decribíronse numerosos retrovirus canceríxenos.
A existencia de virus con capacidade de infectar bacterias (bacteriófagos) foi descrita por Frederick Twort en 1911, e por Félix d'Herelle en 1917. Debido a que as bacterias poden reproducirse dodamente en cultivo in vitro, este feito conduciu a un crecemento importante da viroloxía.
A causa da pandemia de gripe de 1918 non foi recoñecida ata finais de 1918, cando científicos franceses demostraron que un virus capaz de atravesar filtros clásicos de retención de certos microorganismos patóxenos podía transmitir a doenza en humanos e animais, cumprindo cos postulados de Koch (que deben cumprir as doenzas para ser condideradas infecciosas).
En 1926 demostrouse que a escarlatina era causada por unha bacteria que era o hóspede dun virus bacteriófago.
Aínda que os virus vexetais e os bacteriófagos poden cultivarse in vitro de xeito relativamente simple, os virus animais normalmente requiren un hóspede animal vivente, facendo moito máis complexo o estudo das súas características biolóxicas e infecciosas. En 1931 demostrouse que o virus da gripe podía multiplicarse en ovos de ave, un método que aínda se utiliza para a produción de certas vacinas. En 1937, Max Theiler obtivo un cultivo do virus da febre amarela en ovos aviares, e produciu unha vacina a partir dunha cepa atenuada do virus; esta vacina salvou millóns de vidas e aínda é utilizada actualmente.
Max Delbrück, especialista en bacteriófagos, describiu o seu ciclo de vida (1937) como segue: a partícula viral é ensamblada a partir das estruturas que a compoñen nunha soa etapa; finalmente, deixa a célula anfitrioa para infectar outras células. O experimento de Hershey e Chase en 1952 demostrou que só entra na célula bacteriana durante unha infección polo bacteriófago T2 o ADN e non as proteínas. A transdución de bacterias por bacteriófagos foi descrita o mesmo ano.
En 1949 John F. Enders, Thomas Weller e Frederick Robbins informaron da multiplicación do poliovirus nun cultivo de células embrionarias humanas, no que foi o primeiro exemplo significativo dun virus animal obtido fóra dun hóspede vivente ou de ovos de ave. Este traballo permitiu a Jonas Salk a produción dunha vacina contra a polio utilizando o virus desactivado. Esta vacina demostrou a súa efectividade en 1955.
O primeiro virus que foi cristalizado e cuxa estrutura foi dilucidada en detalle foi o virus do mosaico do tabaco (TMV), virus que fora estudado previamente por Ivanovski e Beijerink. En 1935, Wendell Stanley obtivo a súa cristalización por microscopía electrónica, demostrando á súa vez que o virus permanece activo mesmo despois da cristalización. Imaxes obtidas por difración de raios X do virus foron obtidas por Bernal e Fankuchen en 1941. Baseándose en ditas imaxes, Rosalind Franklin propuxo a estrutura completa do virus do mosaico do tabaco en 1955. O mesmo ano, Heinz Fraenkel-Conrat e Robley Williams demostraron que o ARN purificado do TMV e a proteína da cápside podían autoensamblarse nun virión funcional, o que suxería que este mecanismo de ensamblaxe é utilizado tamén dentro da célula hóspede, como Delbrück propuxera anteriormente.
En 1963, Baruch Blumberg descubriu o virus da hepatite B e desenvolveu unha vacina contra a hepatite B.
En 1965, Howard Temin describiu o primeiro retrovirus: un virus cuxo xenoma de ARN é transcrito a ADN complementario (ADNc), integrándose no xenoma do hóspede e expresando os seus compoñentes a partir do mesmo. A transcriptase inversa viral, a cal, xunto coa integrase viral, é unha característica distintiva dos retrovirus, foron descritas independentemente en 1970, por Howard Temin e David Baltimore. O primeiro retrovirus infeccioso para os humanos foi identificado por Robert Gallo en 1974. Posteriormente, determinouse que a primeira transcriptase inversa descrita non é específica dos retrovirus, xa que os retrotransposóns que codifican dito encima son abundantes nos xenomas de todos os eucariotas. Aproximadamente do 10 ao 40% do xenoma humano deriva de tales entidades.
En 1975 describiuse o funcionamento dos oncovirus. Ata ese momento críase que estes virus portaban certos xenes chamados oncoxenes, os cales, ao inserírense no xenoma do hóspede, podían causar un cancro. Michael Bichop e Harold Varmus demostraron que o oncoxene do virus do sarcoma de Rous non é específico de dito virus, senón que está presente no xenoma de animais sans de varias especies. O oncovirus pode cambiar o oncoxene benigno preexistente, converténdoo nun oncoxene canceríxeno.
En 1976 rexistrouse a primeira epidemia de Ébola, doenza producida por un virus altamente letal e doadamente transmisible.
En 1977, Frederick Sanger secuenciou por primeira vez o xenoma completo dun organismo, o bacteriófago PhiX174. O mesmo ano, Richard Roberts e Phillip Sharp mostraron en traballos independentes que os xenes do adenovirus conteñen intróns e, por tanto, deben utilizar un mecanismo de recombinación xenética (ou empalme de xenes). Máis tarde demostrouse que case todos os xenes dos organismos eucariotas posúen intróns.
En 1979, unha campaña mundial para a erradicación da varíola dirixida pola Organización Mundial da Saúde da ONU permitiu a súa completa erradicación.
En 1982, Stanley Prusiner descubriu os prións e mostrou que ditas entidades eran a causa da encefalopatía esponxiforme transmisible (EET) que afecta a cabras e ovellas.
Informouse dos primeiros casos de SIDA en 1981, e o VIH, o retrovirus responsable da enfermidade, identificárono en 1983 Luc Montagnier, Françoise Barré-Sinoussi e Robert Gallo. A partir de entón, desenvolvéronse diferentes probas clínicas para detectar a presenza de anticorpos contra o VIH. Paralelamente, o importante esforzo de investigación dedicado ao VIH converteuno no virus mellor estudado. O Herpesvirus humano 8, causante do sarcoma de Kaposi, o cal se desenvolve a miúdo en enfermos de SIDA, foi identificado en 1994. Desenvolvéronse diferentes medicamentos antiretrovirais a finais dos anos 90, diminuíndo de maneira substancial a mortalidade debida ao SIDA nos países desenvolvidos.
En 1985, Harald zur Hausen demostrou que dúas cepas do virus do papiloma humano (HPV papilomavirus) eran a causa do cancro de colo uterino. Os virus denominados oncovirus, contribúen ao desenvolvemento de certas formas de cancro. Case todos os casos de cancro cervical foron causados polo HPV que se contaxia por transmisión sexual. Outro exemplo é a asociación entre a infección do virus da hepatite B ou C e o cancro de fígado.
O virus da hepatite C foi identificado utilizando técnicas moleculares de clonación en 1987, que serviron de base para a elaboración de probas de detección que reduciron de maneira importante a incidencia da transmisión da hepatite durante as transfusións sanguíneas.
Os traballos iniciais en terapia xénica utilizando vectores virais realizáronse ao inicio da década de 1980, cando se deseñaron retrovirus que podían inserir un xene de orixe distinta á do xenoma do hóspede. Ditos virus portadores do xene externo non posúen un xenoma viral completo, e son incapaces de reproducirse. En 1989 realizáronse os primeiros estudos utilizando o modelo murino, que foron seguidos por estudos realizados en humanos. Ditos estudos foron realizados en pacientes coa enfermidade xenética inmunodeficiencia combinada grave, aínda que o éxito dos ensaios clínicos foi limitado. Entre 1990 e 1995 a terapia xénica aplicouse a varias enfermidades, utilizando diferentes vectores virais, aínda que os obxectivos iniciais non foron completamente alcanzados. En 1999, ocorreu un accidente grave cando un pacente morreu durante un ensaio clínico de terapia xénica, debido a que desenvolveu unha resposta inmune grave despois de ter recibido un vector adenovirus. Informouse dun tratamento exitoso de terapia xénica en dous casos de inmunodeficiencia combinada grave asociada ao cromosoma X en 2000.
Século XXI
En 2002 publicáronse traballos nos cales se xerou un poliovirus completamente sintetizado in vitro, que se converteu no primeiro organismo xerado desta forma. Necesitáronse dous anos para obter o xenoma de 7741 bases a partir da secuencia de ARN (publicada previamente) do virus. En 2003, utilizouse un método máis rápido para ensamblar o xenoma de 5386 bases do bacteriófago Phi X 174 en apenas 2 semanas.
O mimivirus xigante, que algúns consideran un intermediario entre os procariotas máis pequenos e os virus ordinarios, foi descrito en 2003 e secuenciado en 2004.
A cepa do subtipo H1N1 do virus da gripe, que causou a morte de 50 millóns de persoas durante a pandemia de gripe española de 1918 foi reconstituída en 2005. Fragmentos do xenoma foron recuperados a partir de tecidos preservados de vítimas da gripe, e logo da súa ensamblaxe, sintetizouse un virus viable a partir desa secuencia. A pandemia de gripe de 2009 foi xerada por outra cepa de virus da gripe A H1N1, coñecida como "gripe porcina".
Entre 2006 e 2007 determinouse que ao introducir certos xenes dun factor de transcrición específico en células epidérmicas normais murinas ou humanas, era posible transformalas en células pluripotentes ou células nai ou troncais. A técnica empregada utiliza retrovirus modificados para transformar as células; isto representa un problema para utilizalas en terapia xénica debido a que estes virus integran o seu xenoma nunha posición aleatoria no xenoma do hóspede, o cal pode interromper a secuencia doutros xenes e potencialmente, causar un cancro.
En 2008, descubriuse o virófago Sputnik como unha entidade que utiliza a maquinaria dun virus axudante para reproducirse, e pode inhibir a reprodución de dito virus axudante. O Sputnik reprodúcese nunha ameba infectada por un mamavirus, un parente próximo do mimivirus mencionado anteriormente, coñecido como o virus de maior tamaño descrito ata o momento.
Un retrovirus endóxeno (ERV, polas súas siglas en inglés) é un virus cuxo xenoma foi incorporado definitivamente ao xenoma das células xerminais dun organismo, o que lle permite xerar novas partículas virais despois de cada reprodución de dito organismo. Estimouse que aproximadamente o 9% do xenoma humano se orixinou a partir de ERV. En 2015 demostrouse que certas proteínas dun ERV exprésanse activamente en embrións humanos 36 horas despois da fecundación, e que parecen xogar unha función no desenvolvemento embrionario, así como na protección dos embrións contra unha potencial infección debido a outros virus. Cultivo de virus in vitro
No ano 1954 outorgóuselle o premio Nobel a Thomas Huckle, que en 1949 realizara o descubrimento da capacidade de reproducirse in vitro do virus da poliomielite, asociado a cultivos celulares, o cal constituíu un extraordinario avance, permitindo cultivar o virus en laboratorio en grandes cantidades, posibilitando o desenvolvemento da vacina da poliomielite, así como o illamento de moitos outros virus e o desenvolvemento doutras vacinas como a do sarampelo, rubéola, papeiras, e a mellora doutras, como a da rabia. Desta maneira, Thomas Weller converteuse nun dos primeiros investigadores en illar virus como o da varicela-zóster, o citomegalovirus e o virus da rubéola, este último do seu propio fillo. A viroloxía tamén é unha rama taxonómica da bioloxía para estudar os virus e todos os seus compoñentes. Infecciones virais e defensas do hóspede
Unha motivación principal no estudo de virus é que son os axentes causais de varias enfermidades contaxiosas importantes (infeccións virais), entre elas o arrefriado común, a gripe, a rabia, o sarampelo, diferentes formas de diarrea, hepatite, dengue, febre amarela, polio, varíola e SIDA. O virus Herpes simplex causa chagas e o herpes xenital estudouse como un axente causal da Enfermidade de Alzheimer.
Algunhas partículas subvirais tamén son axentes causais de enfermidade: un prión é recoñecido como o axente causal das encefalopatías esponxiformes, as cales inclúen o kuru, a enfermidade de Creutzfeldt-Jakob e a encefalopatía esponxiforme bovina ("enfermidade das vacas tolas"), mentres que a hepatite D se debe a un virus satélite.
O estudo da maneira en que os virus causan enfermidades denomínase patoxénese viral. O grao no cal un virus causa enfermidade é a súa virulencia (ou grao de patoxenidade).
Cando o sistema inmunitario dun vertebrado encontra un virus pode producir anticorpos específicos que poden adherirse ao virus e neutralizar a súa infectividade, ou marcalo para indicar a súa destrución polas células fagocíticas. A presenza de anticorpos no soro sanguíneo é a miúdo utilizada para determinar se unha persoa estivo exposta previamente a un virus determinado, grazas a probas de laboratorio como o ELISA. A vacinación protexe contra as enfermidades virais estimulando a produción de anticorpos. Os anticorpos monoclonais, específicos para un virus determinado, tamén se utilizan para a súa detección, con técnicas como a microscopía de fluorescencia.
Unha segunda defensa dos vertebrados contra os virus é a inmunidade mediada polos linfocitos T ou inmunidade celular. En dita resposta, cando un linfocito T recoñece unha proteína potencialmente viral na superficie dunha ou varias células do corpo, dita célula ou grupo de células son destruídas, á vez que poboación de linfocitos T aumenta. Este mecanismo tamén é inducido por certos tipos de vacinas.
A interferencia por ARN é un mecanismo celular presente nas plantas, animais e outros eucariotas, que puido evolucionar como un sistema de defensa contra certos virus. Está constituído por un conxunto de encimas que poden detectar as cadeas virais de ARN bicatenario (que forman parte do ciclo de vida de certos tipos de virus), para logo eliminar as versións correspondentes de ARN de cadea sinxela unidas a ditos ARN de cadea dobre, impedindo a tradución do ARN viral.
Cada enfermidade viral mortal presenta un paradoxo: A morte do hóspede non presenta beneficio algúns para o virus, entón, hai que explicar por que algunhas especies evolucionaron desa maneira. Actualmente, crese que a maioría dos virus son relativamente benignos nos seus hóspedes naturais; de feito, algunhas infeccións virais mesmo poderían ser beneficiosas para o hóspede. Por tanto, a letalidade dunha enfermidade viral sería o resultado dun "salto" accidental do virus dunha especie en que é benigno a un novo hóspede, que non está adaptado á súa presenza (zoonose). Por exemplo, o virus que causa a gripe en humanos estaría asociado inicialmente aos porcinos e aves como os seus hóspedes naturais. Igualmente, o VIH que produce a SIDA, é considerado como un virus derivado dunha forma benigna presente nos primates non humanos.
Aínda que foi posible previr certas enfermidades virais grazas á vacinación, o desenvolvemento de fármacos antivirais para tratar as enfermidades virais é un avance recente. O primeiro fármaco deste tipo foi un interferón, substancia que é producida naturalmente como resposta do organismo a unha infección dada, que pode estimular outros compoñentes do sistema inmunitario. Bioloxía molecular e terapia viral
Certos bacteriófagos, poden transportar o material xenético dunha bacteria a outra, nun proceso coñecido como transdución. Esta transferencia horizontal de xenes permitiu a súa utilización como unha ferramenta da bioloxía molecular. O código xenético, a función dos ribozimas, o primeiro ADN recombinante e as bibliotecas de xenes foron desenvolvidas grazas aos bacteriófagos. Diferentes elementos xenéticos derivados de ditos virus, como certos promotores altamente eficaces, son utilizados masivamente na bioloxía molecular de última xeración.
A produción in vitro de virus patóxenos de eucariotas en ausencia do organismo hóspede é moito máis complexa. Inicialmente utilizáronse ovos fertilizados de aves de curral. Actualmente, os cultivos celulares son a principal ferramenta utilizada no cultivo de virus en condicións controladas de laboratorio.
Certos tipos de virus de organismos eucariotas deben introducir o seu material xenético no núcleo das células hóspedes para que a súa reprodución sexa posible. Dita condición favoreceu a súa utilización como vectores con capacidade de introducir certos xenes de interese en células hóspede específicas, proceso chamado transformación celular. Diferentes retrovirus modificados (de baixa ou ningunha virulencia) son utilizados con frecuencia con este propósito.
A utilización dos virus como vectores de xenes de interese é o obxecto de estudo da terapia xénica, que busca combater certas enfermidades xenéticas. Porén, unha das barreiras naturais para a utilización de ditos tratamentos, é a posible resposta do sistema inmunitario do paciente contra os virus vectores.
Outra forma de terapia actualmente en estudo é o uso de bacteriofagos para combater enfermidades bacterianas como alternativa ao uso de antibióticos (ver tamén os fagos como antimicrobianos).
Os virus con actividade oncolítica son virus que infectan con preferencia certas células cancerosas. A investigación na súa aplicación como terapia contra o cancro encóntrase aínda en desenvolvemento. Outras aplicacións
Outras aplicacións modernas de certos virus modificados grazas á enxeñaría xenética, son a nanotecnoloxía e a ciencia de materiais. Ademais, certos virus foron utilizados en neurociencia e na elaboración de mapas neuronais. Estrutura e clasificación dos virus
Unha das ramas importantes da viroloxía é a clasificación dos virus. Os virus poden ser clasificados segundo a célula hóspede á que infectan en: virus animais, virus de plantas, virus fúnxicos, e bacteriófagos (virus que infectan bacterias, entre os que están os virus máis complexos). Outra forma de clasificalos é pola forma xeométrica da súa cápside (as máis comúns son a helicoidal e a icosaédrica) ou pola estrutura do virus (por exemplo, pola presenza ou ausencia de envoltura viral lipoproteica). Os virus miden unhas poucas decenas de millonésimas de milímetro (nanómetros), e o seu tamño vai de 30 nm a uns 450 nm, o que significa que a gran maioría deles non se poden ver con microscopio óptico e para estudalos hai que utilizar o electrónico, a espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) e a cristalografía de raios X.
O sistema de clasificación máis útil e máis usado distingue os virus polo tipo de ácido nucleico que posúen como material xenético e polo método de multiplicación xenética que empregan para obrigar a célula hóspede a producir máis virus. O ácido nucleico pode ser ADN ou ARN, que poden ser bicatenarios (ou de dobre febra, double stranded) ou monocatenarios (ou de febra simple, single stranded). Poden ser: Virus de ADN, divididos en virus de ADN bicatenario (dsDNA virus) e virus de ADN monocatenario (ssDNA virus),
Virus de ARN, divididos en virus de ARN monocatenario de sentido positivo, virus de ARN monocatenario de sentido negativo e os moito menos comúns virus de ARN bicatenario (dsRNA virus),
Virus con reversotranscrición (virus de ADN bicatenario con reversotranscrición (dsDNA-RT virus) e virus de ARN monocatenario con reversotranscrición (ssRNA-RT virus), incluíndo os retrovirus.
O último informe do Comité Internacional de Taxonomía de Virus (2005) incluía 5450 virus distintos, organizados nunhas 2000 especies, 287 xéneros, 73 familias e 3 ordes.
Os virólogos tamén estudan as partículas subvirais, partículas infecciosas moito máis simples e pequenas que os virus, como son: viroides (moléculas de ARN circular espido que infectan plantas),
satélites (moléculas de ácido nucleico con ou sen cápside que necesitan un virus axudante para poder infectar e reproducirse), e
prións (proteínas que poden existir nunha conformación patolóxica que induce que outras moléculas do prión adopten tamén esa mesma conformación).
Os taxons en viroloxía non son necesariamente monofiléticos, xa que as relacións evolutivas dos diversos grupos non están claras. Existen tres hipóteses sobre a orixe dos virus: Os virus orixináronse a partir da materia non viva, separadamente aínda que paralelamente ás células, quizais en forma de ribozimas de ARN autorreplicantes similares a un viroide.
Os virus orixináronse pola redución do xenoma de formas de vida celulares temperáns máis competentes, que se fixeron parasitas dunha célula hóspede e posteriormente perderon a maior parte da súa funcionalidade; exemplos de tales parasitos procariotas diminutos son os micoplasmas e as nanoarqueas.
Os virus orixináronse a partir de elementos xenéticos móbiles das células, como os transposóns, retrotransposóns ou plásmidos, que quedaron encapsulados dentro dunha cuberta (cápside) de proteínas, adquiriron a capacidade de "liberarse" da célula hospedce e de infectar outras células.
De particular interese son os mimivirus, un tipo de virus xigantes que infecta amebas e codifica moita máis maquinaria molecular que a que é habitual nos virus, maquinaria e que se asocia xeralmente con bacterias. Ante eles xorde a pregunta de se son unha versión simplificada dun procariota parasito ou se se orixinaron como virus simples que despois adquiriron xenes dos seus hóspedes.
A evolución dos virus, que a miúdo ocore conxuntamente coa evolución do hóspede, é estudada polo campo da evolución viral.
Aínda que os virus se reproducen e evolucionan, non realizan ningún tipo de metabolismo, nin se moven de seu, e dependen sempre dun hóspede para a súa reprodución. A cuestión frecuentemente debatida de se os vivos son seres vivos ou non depende da definición que se utilice e non afecta á realidade biolóxica dos virus.