[Vi sinh lâm sàng 21] Sự phân loại và sao chép của virus

23.1. Hãy tưởng tượng rằng virus là một chiếc phi thuyền quân sự được thiết kế đặc biệt với một lớp vỏ ngoài siêu chống đỡ. Tuy nhiên, các kỹ sư đã quên việc thiết kế một cái thùng chứa nhiên liệu cho chiếc phi thuyền của họ. Do đó nó phải trôi dạt khắp nơi cho đến khi nó gặp được một hành tinh phù hợp. Khi hạ cánh, nó vận chuyển hàng hóa quân sự ra khỏi tàu. Hàng hóa này được thiết kế để kiểm soát tất cả các nhà máy và sau đó hướng dẫn các nhà máy này bắt đầu thiết kế ra các bản sao từ chiếc phi thuyền không gian ban đầu (không có thùng chứa nhiên liệu). Khi những chiếc thuyền mô phỏng này được thiết kế xong thì chúng sẽ khởi hành hàng loạt, để lại cái hành tinh đã bị hủy hoại hoàn toàn.

Virus có những đặc tính chuyện biệt sau đây:
1) Chúng sử dụng rất ít năng lượng. Chúng trôi dạt khắp nơi cho đến khi chúng tiếp xúc với một tế bào thích hợp.
2) Chúng là những dạng sống cơ bản bao gồm một lớp vỏ protein, được gọi là vỏ capsid, lớp vỏ này bao xung quanh vật chất di truyền. Virus không hề có bào quan hay ribosom. Một số loại virus còn được bao bọc thêm ở bên ngoài bằng một lớp màng lipid kép, chúng bao xung quanh lớp vỏ capsid và có thể chứa các glycoprotein. Một vài loại virus còn mang một số protein cấu trúc và một số enzym bên trong lớp vỏ capsid của chúng.
3) Vật liệu di truyền của chúng hoặc ADN hoặc ARN. Không bao giờ có cả 2!! Vật liệu di truyền có chứa quy trình để tạo ra hàng triệu bản sao từ virus gốc.
4) Sự nhân đôi vật liệu di truyền xảy ra khi virus kiểm soát được các vật liệu tổng hợp của tế bào túc chủ. Virus chứa tất cả các thông tin di truyền, nhưng lại không có enzym, một thứ cần thiết để tạo nên hàng triệu bản sao từ virus gốc.

 

HÌNH THỂ HỌC CỦA VIRUS

Họ nói cách học tốt nhất là bằng hành động, vì vậy hãy nghiên cứu cấu trúc của virus bằng cách tạo ra một con virus, bắt đầu từ bên trong acid nucleic cho đến vỏ capsid và lớp vỏ bọc.

 

Acid Nucleic

23.2. Virus được phân loại bằng cách dựa vào hoặc ADN hoặc ARN của virus. Vì vậy có 2 sự lựa chọn cho virus của chúng ta: ADN và ARN. Tất nhiên không có gì là đơn giản cả. Các chuỗi acid nucleic có thể là sợi đơn, sợi đôi, đường thẳng hoặc mạch vòng và những chuỗi này có thể là từng đoạn riêng biệt hoặc là một chuỗi liên tục. Các chuỗi acid nucleic có thể mã hóa một thông tin đơn giản hoặc mã hóa cho hàng trăm loại protein cấu trúc hoặc enzym.

ARN Của Virus

Chúng ta hãy chọn ARN cho phần lõi trung tâm của virus. Virus có 2 loại ARN: chuỗi dương (+) và chuỗi âm (–)

Chuỗi DƯƠNG (+) có nghĩa là ARN GIỐNG NHƯ là một ARN thông tin (mARN). Khi một virus có chuỗi ARN dương (+) xâm nhập vào bên trong tế bào túc chủ thì ngay lập tức ARN của nó có thể được dịch mã thành protein bởi ribosom của túc chủ.

Khi chuỗi ARN âm (–) của virus thâm nhập vào bên trong một tế bào thì chúng không thể bắt đầu dịch mã ngay lập tức được. Đầu tiên chúng phải được phiên mã lại thành chuỗi ARN dương (+) (giống như mARN). Để làm được điều này, chuỗi ARN âm (–) của virus phải được chuyển đổi, bên trong vỏ capsid của chúng, một loại enzym được gọi là ARN polymerase phụ thuộc ARN (ARN – dependent ARN polymerase), sẽ thực hiện việc phiên mã chuỗi âm (–) thành chuỗi dương (+). Các tế bào của con người không có ARN polymerase phụ thuộc ARN, vì vậy chuỗi ARN âm (–) của virus phải được chuyển đổi bên trong chúng.

23.3. Quá trình dịch mã của ARN dương (+) và ARN âm (–) của virus

Virus có 2 loại ARN đặc biệt đáng được đề cập ở đây đó là:
1) Retrovirus, HIV là thành viên trong số đó, là loại đặc biệt bởi vì chúng có khả năng kết hợp với hệ gen của túc chủ.
2) Reoviridae, bao gồm cả rotavirus, cũng là loại đặc biệt bởi vì chúng là nhóm virus duy nhất có chuỗi gen ARN kép.

23.4. ARN của retrovirus đã được phiên theo một hình thức đảo ngược (“retrograde”) lại thành ADN! Để làm được điều này thì những virus kia mang một loại enzym đặc biệt được gọi là enzym phiên mã ngược (reverse transcriptase).

ADN Của Virus

23.5. Không giống như ARN, ADN không thể được dịch mã thành protein một cách trực tiếp được. Đầu tiên chúng phải được phiên mã thành mARN, rồi sau đó mARN này mới được dịch mã để trở thành các protein cấu trúc và enzym.

Hầu hết ADN của virus đều có chứa cả chuỗi dương (+) và chuỗi âm (–). Có một điều khó hiểu ở đây đó là: Chuỗi âm (–) nằm trên chuỗi ADN được dùng để sao chép mã, trong khi đó chuỗi dương (+) thì lại bị bỏ qua. Parvovirus là trường hợp ngoại lệ vì chúng có một bộ gen ADN đơn độc.

23.6. Không giống như chuỗi ARN dương (+) là được dịch mã thành protein một cách trực tiếp, chuỗi âm (–) của ADN thì lại được sử dụng như là một cái khuôn mẫu cho quá trình phiên mã thành mARN.

Vỏ Capsid

Vậy là chúng ta đã biết về sự khác nhau giữa các loại acid nucleic, giờ hãy xây dựng cấu trúc ngôi nhà để chứa bộ gen này. Đầu tiên, chúng ta sẽ xây dựng một lớp vỏ capsid. Có 2 loại vỏ capsid: dạng khối đa diện đều 20 mặt (icosahedral) và dạng xoắn ốc (helical).

Vỏ Capsid Hình Khối Đa Diện Đều 20 Mặt

23.7. Lấy 1 hoặc nhiều hơn chuỗi polypeptid và nặn chúng thành một quả cầu tiểu đơn vị protein. Cái này sẽ tham gia xây dựng nên khối cấu trúc của chúng ta và được gọi là một capsomer.

23.8. Sắp xếp các capsomer thành một tam giác đều.

23.9. Xếp các tam giác đều đó lại với nhau để tạo nên một khối đa diện đều 20 mặt.

Đóng gói ADN hoặc ARN vào bên trong lớp vỏ capsid khối đa diện này.

Vỏ Capsid Đối Xứng Dạng Xoắn Ốc

23.10. Trong hình thể đối xứng dạng xoắn ốc, các protein capsomer liên kết với ARN (luôn luôn là ARN bởi vì chỉ có ARN của virus mới có tính đối xứng dạng xoắn ốc) và chúng cuộn lại thành một lớp vỏ capsid nucleoprotein xoắn ốc. Hầu hết chúng đều có dạng hình cầu, ngoại trừ nhóm rhabdovirus (virus dại) vì chúng có vỏ capsid dạng hình viên đạn.

 

Vỏ Ngoài

23.11. Hiện nay chúng ta đã tạo ra một lớp vỏ capsid đa diện đều 20 mặt với một acid nucleic (ARN hoặc ADN) ở bên trong và một nucleocapsid (ARN) cuộn xoắn ốc, giờ chúng ta hãy đề cập đến cấu trúc bao bên ngoài  bằng một lớp màng lipid kép. Virus tạo ra lớp màng này bằng cách lấy đi lớp màng nhân hoặc màng tế bào chất của túc chủ và kéo bật ra một phần từ lớp màng khi chúng rời khỏi. Có thể có nhiều glycoprotein được gắn vào
lớp màng tế bào của chúng.

Những loại virus không có màng thì được xem là một virus trần (naked virus) hay virus không có vỏ bao ngoài (nonenveloped virus). Những virus
có màng thì được xem là virus có vỏ bao ngoài (enveloped virus).

Sản Phẩm Hoàn Thiện

23.12. Hình dạng của những loài virus hoàn chỉnh và kích cỡ ước chừng của chúng so với vi khuẩn như là E.coli hay những loài vi khuẩn nhỏ hơn như Chlamydia, Rickettsia và Mycoplasma pneumoniae.

 

PHÂN LOẠI

Virus được phân loại dựa theo bản thân chúng:
1) Acid nucleic:
Loại acid nucleic: ADN, ARN
Chuỗi đơn và đôi
Acid nucleic đơn hay được phân đoạn
Chuỗi ARN dương (+) hay âm (–)
Độ phức tạp của hệ gen

2) Capsid:
Khối đa diện đều 20 mặt
Xoắn ốc

3) Vỏ ngoài:
Trần
Có vỏ bao ngoài

4) Kích cỡ:
Đường kính của vỏ capsid xoắn ốc của virus
Số lượng capsomer của vỏ capsid dạng khối đa diện đều 20 mặt

Bây giờ chúng ta sẽ đi qua các nhóm virus và các đặc tính riêng biệt của chúng

Nhóm Virus AND

Đôi khi chúng được xem như là nhóm virus HHAPPPy:
Herpes
Hepadna
Adeno
Papova
Parvo
Pox

Hầu như nhóm virus AND là chuỗi kép, cho thấy sự cân xứng của khối đa diện đều 20 mặt và sự sao chép trong nhân tế bào (nơi AND thường xảy ra việc sao chép).

Có 2 loại virus AND phá vỡ những quy tắc này:
1) Parvoviridae: Đây là loại virus rất đơn giản vì chỉ có một chuỗi đơn AND. Nó đơn giản như là việc một chơi lỗ ONE PAR trong môn golf.
2) Poxviridae: Đây là một loại virus rất phức tạp. Mặc dù chúng có AND sợi kép, AND có bản tính phức tạp, mã hóa cho hàng trăm loại protein. Virus này không có hình dạng khối đa diện đối xứng đều 20 mặt. AND này được bao xung quanh bởi các protein có cấu trúc phức tạp trông
giống như một cái hộp (POX IN A BOX). Virus này thực hiện việc sao chép trong tế bào chất.

Có 3 loại virus AND có vỏ bao ngoài:
Herpes Hepadna Pox

Có 3 loại trần: Một người phụ nữ phải cởi trần truồng để thực hiện xét nghiệm phết tế bào cổ
tử cung (PAP smear).
PApova Adeno PArvo

23.13. Nhóm Virus AND

Nhóm Virus ARN

Có một số đặc điểm chung về nhóm virus ARN, hầu như là ngược lại với nhóm virus AND.

Hầu như nhóm virus ARN là chuỗi đơn (một nữa của chuỗi dương [+], một nữa chuỗi âm [–]), có vỏ bao ngoài, thấy có sự đối xứng của vỏ capsid xoắn ốc và thực hiện việc sao chép trong tế bào chất:
Togo Orthomyxo
Corona Paramyxo
Retro Rhabdo
Picorna Bunya
Calici Arena
Reo Filo
Flavi

Ngoại Lệ:
1) Reoviridae là chuỗi kép.
2) Ba loại virus không có vỏ bọc ngoài: Picorna, Calici và Reoviridae.
3) Năm loại virus có cấu trúc khối đa diện đối xứng đều 20 mặt: Reo, Picorna, Toga, Flavi, Calici (Rhabdo có cấu trúc xoắn ốc đối xứng nhưng có hìn hạng trông giống như một viên đạn).
4) Hai loại virus thực hiện việc sao chép trong nhân tế bào: Retro và Orthomyxo.

23.14. Nhóm Virus ARN

Ở đây có 2 cách để giúp ghi nhớ được nhóm virus ARN có chuỗi dương (+) và âm (–)

Chuỗi (+): “Bức tượng vị hoàng đế Pico cũ kỹ được làm bằng vôi (Calcify), hắn ta đang đội một chiếc vương miện và một chiếc áo choàng rộng (Toga) và đang ăn những trái nho thơm ngon (Flavorful) từ một cái bát kiểu Retro” (Calici, Pico, Corona, Toga, Flavi và Retroviridae).

Chuỗi (–): “Một con chó Filo hung tợn (Rabid) của ông Pete già (Old) đang chiến đấu với Paul Bunyon trong đấu trường (Arena)” (Orthomyxo, Paramyxo, Rhabdo, Filo, Bunya và Arenaviridae).

SỰ SAO CHÉP CỦA VIRUS

Virus không thể tự thực hiện sao chép trong bản thân của chúng. Chúng phải xâm nhập vào một tế bào, chiếm lấy các nội bào quan của tế bào và “chỉ đạo” các bào quan này sản xuất ra các enzym và protein cấu trúc của virus mới. Sau đó chúng sao chép ra vật liệu di truyền của virus thêm nhiều lần nữa sao cho một bản sao chép có thể đặt vào bên trong mỗi virus mới được tạo thành. Cuối cùng, chúng rời khỏi tế bào.

Để cho một virus thực hiện việc nẩy nở, chúng phải hoàn thành 4 bước sau:
1) Bám lên và thâm nhập vào bên trong tế bào chủ
2) Gỡ bỏ lớp vỏ bên ngoài của virus
3) Tổng hợp và lắp ráp các sản phẩm của virus (cũng như là gây ức chế sự tổng hợp AND, ARN và protein của tế bào chủ)
4) Giải phóng các virion từ tế bào chủ (bằng cách ly giải (lysis) hoặc nẩy chồi (bud))

Thâm Nhập

23.15. Một bộ phận nhỏ của virus liên kết lên màng tế bào chủ. Đây thường là loại tác dụng tương hỗ đặc hiệu (specific interaction), trong đó một loại protein đã được mã hóa của virus trên lớp vỏ capsid hoặc một glycoprotein đã được gắn vào lớp vỏ bao ngoài của virion liên kết với một receptor ở trên màng tế bào chủ. Không giống như virion bacteriophage (xem Chương 3 Di Truyền Học Vi Khuẩn) là chỉ tiêm vào bên trong tế bào chủ AND của chúng, thì những virus này đưa vào bên trong toàn bộ cấu trúc của chúng, vỏ capsid và acid nucleic. Quá trình thâm nhập vào bên trong xảy ra bằng cách nhập vào (endocytosis) hoặc hòa màng (fusion) của lớp vỏ bao ngoài của virion với lớp màng của tế bào chủ.

Gỡ Bỏ Lớp Vỏ Ngoài
Acid nucleic được giải phóng từ vỏ capsid đi vào trong nhân hoặc tế bào chất.

Phiên Mã, Dịch Mã Và Sao Chép

Nhóm Virus ARN

Đây là nhóm virus thường thực hiện quá trình phiên mã, dịch mã và sao chép ở trong tế bào chất.

Chuỗi ARN dương của virus có chức năng tương với ARN thông tin (mARN) đã được hình thành từ trước. Ngay khi chúng thâm nhập vào bên trong tế bào thì chúng đã sẵn sàng cho quá trình dịch mã. Những virus này ngay lập tức sử dụng các protein và enzym của ribosom của tế bào chủ để dịch mã chuỗi ARN dương của chúng thành một ARN polymerase phụ thuộc ARN để tạo ra những bản sao ARN chuỗi âm của chúng cho quá trình sao chép.

Chuỗi ARN âm của virus có một vấn đề nho nhỏ. Chúng không thể thực hiện quá trình dịch mã để trở thành protein bởi vì chúng là một chuỗi âm (một bản sao từ mARN) vì vậy chúng cần phải mang theo một enzym ARN polymerase phụ thuộc ARN của virus vào bên trong virion để đầu tiên là phải tạo ra một bản sao chép chuỗi dương, để sau đó những chuỗi này được dịch mã thành những protein của virus.

23.16. Quá trình sao chép chuỗi ARN dương của virus. Đầu tiên chuỗi ARN dương của virus phải tạo ra được enzym ARN polymerase phụ thuộc ARN bằng protein dịch mã chuỗi ARN dương của chúng (nó giống như là mARN). Sau đó polymerase vừa mới được tổng hợp có thể tạo ra chuỗi ARN âm và chuỗi ARN dương cho quá trình sao chép của ARN con.

23.17. Quá trình sao chép chuỗi âm ARN của virus. Virus gỡ bỏ lớp vỏ ngoài, giải phóng ra một virion được gắn kết với ARN polymerase, và việc đầu tiên là chuỗi âm (–) phải được phiên mã thành một chuỗi dương (+) (sử dụng enzym ARN polymerase). Sau đó chuỗi dương này có hoạt động tương tự như mARN và cũng phải trải qua cả quá trình phiên mã và dịch mã.

Retrovirus xứng đáng được đề cập riêng biệt ở đây. Không giống như những virus có chuỗi ARN dương đơn độc khác, loại virus này không vội vã thực hiện quá trình dịch mã ngay, mà thay vào đó là chúng mang theo một enzym AND polymerase phụ thuộc ARN đã được tạo ra trước đó (phiên mã ngược) để thực hiện quá trình phiên mã thành AND. Sau đó, đoạn mã AND này có thể được gắn trực tiếp vào bộ gen AND của túc chủ. Tiếp đến là đoạn mã AND này có thể được phiên mã thành mARN và tạo ra các protein của virus hoặc ARN để hình thành nên bộ gen của các virus đang nẩy nở.

Nhóm Virus AND

Quá trình phiên mã và sao chép thường xảy ra ở trong nhân tế bào.

23.18. Quá trình sao chép của nhóm virus AND. Vật liệu di truyền của nhóm virus AND có khuynh hướng phức tạp hơn nhiều so với nhóm virus ARN. Do đó, quá trình phiên mã của nhóm virus ADN được chia thành quá trình phiên mã rất sớm, sớm và muộn. Một khái niệm quan trọng nữa đó là sự hoạt động AND của virus tượng tự như bộ gen của chúng ta. Các đoạn AND được phiên mã ở trong nhân để hình thành nên mARN (chúng được xử lý rồi nối lại với nhau). Sau đó, mARN di chuyển đến tế bào chất (mạng lưới nội chất), nơi mà quá trình dịch mã được thực hiện.

Giai đoạn rất sớm và sớm: mARN được phiên mã đầu tiên để mã hóa các enzym và protein cần thiết cho quá trình sao chép ADN và cho cả quá trình phiên mã mARN sau này. Giai đoạn muộn: mARN thường được phiên mã sau khi quá trình sao chép AND của virus đã bắt đầu và đoạn mARN này được phiên mã từ AND của “con cháu”. Cấu trúc protein của vỏ capsid được tổng hợp từ bộ gen mARN ở giai đoạn muộn này.

Lắp Ráp Và Phóng Thích

Thành phần của các protein và bộ gen (ARN và AND) được lắp ráp thành virion có dạng xoắn ốc hoặc khối đa diện đều. Sau đó những virion này được phóng thích ra ngoài.

Nhóm virion trần: Tế bào có thể ly giải và giải phóng ra các virion, hoặc virion có thể được phóng thích bằng cách đảo ngược sự thực bào (xuất bào).

Nhóm virion có vỏ bọc: là những virion trần mới được hình thành được “mặc quần áo” bằng cách đi qua bộ máy Golgi, màng nhân hoặc màng tế bào chất, làm đứt một phần lớp lipid kép của tế bào chủ khi chúng thoát ra.

 

Kết Cục Của Tế Bào Chủ

Chết: Với sự xâm nhiễm của virus, chức năng của tế bào chủ bị bất hoạt vì tế bào được huy động cho quá trình sao chép của virus. Điều có thể làm cho tế bào bị chết đi.

Biến tính: Sự nhiễm khuẩn của virus có thể kích hoạt hoặc đưa vào các gen sinh ung (oncogene). Điều này dẫn đến sự tăng trưởng không thể kiểm soát và ngăn cản của tế bào.

Nhiễm khuẩn tiềm tàng (latent infection): Virus có thể tồn tại trong trạng thái ngủ, tồn tại nhưng không gây biểu hiện nhiễm khuẩn trên lâm sàng. Có rất nhiều yếu tố có thể dẫn đến sự tái hoạt động của virus.

Nhiễm khuẩn mạn tính chậm: Có một vài loại virus sẽ chỉ gây ra bệnh lý sau nhiều năm, thường là khoảng chục năm.