Estrutura, genoma e estratégia geral da replicação I

Estrutura, genoma e estratégia
geral da replicação I
Profa Dra Mônica Santos de Freitas
19.10.2011
1
Saturday, October 22, 11
Estrutura Viral
Variação do tamanho e forma dos vírus
Acidianus bottle virus
Mimivírus
Saturday, October 22, 11
2
Estruturas virais
Capsídeo- envoltório protéico que envolve o ácido nucléico.
Formado por unidade estruturais.
Unidades estruturais- são as menores unidades funcionais que
formam o capsídeo
nucleocapsídeo- capsídeo com ácido nucléico
Virion- Partícula viral infecciosa
Envelope- Cobertura lipídica que envolve o capsídeo
3
Saturday, October 22, 11
Proteínas Virais
4
Saturday, October 22, 11
Nomenclatura relacionada a estrutura
5
Saturday, October 22, 11
6
Saturday, October 22, 11
Determinação de Estrutura por Cristalografia de raio-X
7
Saturday, October 22, 11
Informações obtidas por Ressonância Magnética Nuclear
8
Saturday, October 22, 11
Reconstrução do Adenovírus à 6 Angstrons de resolução
Microscopia crioeletrônica
CrioEM e Cristalografia de raio X
peripentonal hexons
Pentons
peripentonal hexons
hexons
CrioEM da superfície da face de um
icosaedro
Saturday, October 22, 11
Região de um vertice do capsídeo
9
Vírus da Imunodeficiência Adquirida
Exemplo do casamento entre estrutura e função
Vírus HIV foi identificado por volta de 25 anos atras. Os detalhes
estruturais são impressionantes, o que contribui para o desenho
racional de drogas.
10
Saturday, October 22, 11
Vírus com simetria helicoidal
Difração de raio-x das fibras e de partículas
orientadas em gel
Baseado em Microscopia eletrônica
Baseado em Microscopia eletrônica
11
Saturday, October 22, 11
Capsídeo ou nucleocapíseo com simetria icosaédrica
Simetria icosaédrica
O icosaédro é um sólido com 20 faces triangulares e 12 vertices
relacionados a simetria rotacional de 2, 3 ou 5 ordem.
12
Saturday, October 22, 11
Número de triangulações (T)
Caspar e Klug, 1962
Triangulação- descrição da face de uma estrutura icosaédrica em
termos de subdivisões em triângulos menores.
T=4 da face de um icosaedro
combinação de 4
faces idênticas
13
Saturday, October 22, 11
Quasi-equivalência
Caspar e Klug, 1962
Quando o capsídeo tem mais de 60 subunidades, cada subunidade
ocupa uma posição quasi-equivalente.
Neste caso, a ligação não covalente entre as subunidades em diferentes ambientes
são similares, mas não idênticas, como ocorre no caso de estruturas com 60
subunidades.
Diferentes
ambientes
estruturais
Uma estrutura com 60
subunidades. 5 subunidades
fazem o eixo
14de 5 ordem
Saturday, October 22, 11
Uma estrutura com
180 subunidades
Unidades assimétricas
Homotrímero
15
Saturday, October 22, 11
Unidades assimétricas
Homotrímero
15
Saturday, October 22, 11
Estrutura do parvovirus 2 adeno-associado
T=1
Cristalografia de raio-X
16
Saturday, October 22, 11
Número de triangulações (T)
12 hexâmeros
adjacentes
convertidos em
pentâmeros
12 hexâmeros não
adjacentes
convertidos em
pentâmeros
Cada hexágono representa um hexâmeros, com idênticas subunidades mostradas
como triângulo equilátero.
Somente será possivel inserir curvatura a estrutura por meio de formações de
pentâmeros.
17
Saturday, October 22, 11
Número de triangulações (T)
18
Saturday, October 22, 11
Estrutura dos membros da Reoviridae
reovírus
rotavírus
T=13
Vírus Bluetongue
19
Saturday, October 22, 11
Empacotamento viral
20
Saturday, October 22, 11
Empacotamento viral
21
Saturday, October 22, 11
Envelope viral
Morfologia de retrovírus
CrioE Tomografia
MMLV vírus
CrioEM
22
Saturday, October 22, 11
HIV tipo I
23
Saturday, October 22, 11
Iteração do capsídeo com o envelope
24
Saturday, October 22, 11
Características das proteínas do envelope
25
Saturday, October 22, 11
Estrutura do domínio extracelular das proteínas do
envelope
26
Saturday, October 22, 11
Estrutura do vírus Sindbis
27
Saturday, October 22, 11
Introdução
O genoma viral é um depósito de ácido nucleico que contém as
informações necessárias para construir, replicar e transmitir vírus.
28
Saturday, October 22, 11
Quais informações são codificadas pelo genoma viral?
Produtos gênicos e sinais regulatórios requeridos para:
replicação do genoma;
montagem e empacotamento do genoma;
regulação e cinética do ciclo replicativo;
modulação da defesa do hospedeiro;
espalhamento do vírus para outras células e
hospedeiros;
29
Saturday, October 22, 11
Informações não contidas no genoma viral
nenhum gene que codifique proteínas da maquinária
de síntese (nenhum RNA ribossomal e nenhuma
proteína ribossomal ou de tradução);
nenhum gene que codifica proteínas do metabolismo
energético ou biosíntese de membranas;
nenhum telomero (para manutenção do genoma) ou
centrômeros (para garantir a segregação do
genoma);
OBS: Alguns genomas de vírus DNA contêm tRNAs, aminoacil-tRNA sintetases, e
30
genes envolvidos no metabolismo
de açucar e lipídeos
Saturday, October 22, 11
Princípios
Os vírus não codificam a maquinária necessária para promover a
síntese de proteínas
Todo genoma viral deverá ser
copiado para produzir um RNAm
que pode ser lido pelo ribossomo
hospedeiro
Existem apenas sete tipos de
genoma viral
Sistema Baltimore
31
Saturday, October 22, 11
Vírus DNA e RNA de acordo com a ICTV 2005
cIsométrico-
partículas virais com simetria do tipo icosaédrica
d
Outros- são partículas não isométricas. Vírus pleomórficos, esféricos,
baciloforme, etc.
32
Saturday, October 22, 11
Sistema Baltimore
O sistema Baltimore omite a segunda função universal do genoma.
Servir como molde para a síntese de novos genomas.
Existe um número finito de
estratégias para cópia do
ácido nucléico. Cada uma
com um molde e
terminação específicos.
33
Saturday, October 22, 11
Desafios
Para muitos vírus com genoma DNA
nada tão desafiante, pois todas
as células apresentam
mecanismos baseados em DNA
replicação
RNAm
Para muitos vírus com genoma RNA
células animais não possuem mecanismos
conhecidos para copiar moldes de RNA viral para
produzir RNAm
34
Saturday, October 22, 11
o genoma viral
deverá codificar
uma polimerase
para replicação do
genoma e síntese
de RNAm
Estrutura e complexidade do genoma viral
Apesar da simplicidade da estratégia de expressão, a composição e
estrutura do genoma viral são mais complexos do que os de
bactéria ou células eucarióticas
O genoma viral pode ser:
1. DNA ou RNA;
2. DNA com curtos segmentos de RNA;
3. DNA ou RNA com proteínas ligadas covalentemente;
4. fita simples (+) ou (-) ou com ambos as polaridades;
5. fita dupla;
6. linear;
7. circular;
8. Segmentado;
35
9. Espaçado;
Saturday, October 22, 11
Convenções importantes
o RNAm é definido como polaridade (+), pois pode ser
imediatamente traduzido.
O RNA ou DNA complementar a um (+) é o (-). O polaridade (-)
não pode ser traduzido diretamente. Ele deverá ser primeiramente
copiado para um (+).
36
Saturday, October 22, 11
Para pensar!
Qual a razão da existência dos
genomas vírus?
Pressão seletiva
Vocês conseguiriam pensar na razão pela
qual os vírus são tão diversificados? Pensem
na composição do genoma, na estrutura e na
replicação.
Existe alguma configuração mais
vantajosa?
37
Saturday, October 22, 11
Genoma DNA
Será que pelo fato de alguns vírus apresentarem genoma sendo DNA, a
replicação e expressão do genoma seria apenas uma emulação do sistema
normalmente realizado pelo hospedeiro?
DNA fita dupla
O genoma viral pode ser fita dupla ou parcialmente fita dupla.
Existem 24 família virais com genoma DNA fita dupla. Dentre eles, o Adenoviridae,
Hespesviridae, Papilomaviridae, Poliomaviridae e Poxviridae.
O genoma pode ser linear ou circular.
38
Saturday, October 22, 11
Seminários do dia
Grupo 1:
Luiza
Taissa
Vanessa
Vivian
Jéssica G.
Grupo 2:
Karen
Lohanna
Dominique
Thalyta
Jéssica D.
Grupo 3:
Rayssa
Roberta
Kamila
Tayane
Gabiele
39
Saturday, October 22, 11
Grupo 4:
Alana
Fernando
Grazielly
Taísa
Seminários do dia
Grupo 5:
Guilherme M.
Guilherme J.
Larissa
Daniel N.
Emílio
Raul
Grupo 6:
Yasmim
Luis
Ketiucia
Bartira
Estér
Grupo 7:
Daniel T.
Leandro
Caroline
Juliana
Tiago
40
Saturday, October 22, 11
Grupo 8:
Danielle
Jonathas
Gabriela
Sergio
Henrique
DNA fita dupla
Genoma circular, com
Configuração do genoma: menos de 10 ORFs
1. para replicação e
expressão gênica;
2. não tem DNA
Grau de dependência da
polimerase;
célula hospedeira:
3. Moldes de RNA e
forquilha de replicação
1.
Controle
temporal
da
para replicar DNA,
Estratégia de Expressão
expressão inicial e tardia de
análogo ao mecanismo
gênica:
genes;
celular;
2. Splicing como maior processo
regulatório;
codifica o antígeno tumor (T) que modula
Interação com o hospedeiro:
o41controle do ciclo celular
Saturday, October 22, 11
DNA fita dupla
Grau de dependência da
célula hospedeira:
Configuração do genoma:
genoma linear com
terminação curta,
repetida e invertida
1.
Controle
temporal
da
Estratégia de Expressão
expressão inicial e tardia de
gênica:
genes;
2. Pequeno RNA viral produzido
pela RNA polimerase III;
1. codifica sistema de
replicação do DNA
incluindo DNA
polimerase;
2. Proteína molde com
não usual mecanismo
de deslocamento de
fita;
Proteína E1A são potentes ativadores
nteração com o hospedeiro: transcricional e regulador do ciclo celular
42
Saturday, October 22, 11
DNA fita dupla
Grau de dependência da
célula hospedeira:
Configuração do genoma:
genoma linear
1.
Controle
temporal
da
Estratégia de Expressão
expressão inicial e tardia de
gênica:
genes;
2. Produção de muitos RNAm de
promotores multiplos;
nteração com o hospedeiro:
Saturday, October 22, 11
infecção 43
latente
1. codifica completo
sistema de replicação
incluindo uma DNA
polimerase e enzimas
que sintetizam
precursores de DNA;
2. Replicação do
genoma com moldes de
RNA e forquila de
replicação;
DNA fita dupla
Grau de dependência da
célula hospedeira:
Configuração do genoma:
Estratégia de Expressão
gênica:
1. Genoma codifica completo
sistema de síntese de RNAm;
2. Muitas proteínas virais
empacotadas no vírus;
nteração com o hospedeiro:
Saturday, October 22, 11
- genoma grande e com
extemidades ligadas;
- longa repetição terminal;
1. codifica completo
sistema de replicação;
2. Replica no
citoplasma;
codifica muitos moduladores
44 imunológicos
DNA fita dupla
O genoma é parcialmente fita dupla. Os intervalos devem ser preenchidos
para produzir um duplex perfeito.
O reparo antecede a sintese de RNAm, pois a
RNA polimerase do hospedeiro só pode
transcrever DNA completamente dupla fita.
O genoma espaçado é produzido de um RNA
molde por uma enzima codificada pelo vírus que
sintetiza DNA de um molde de RNA (trascriptase
45
reversa)
Saturday, October 22, 11
DNA fita simples
Cinco famílias de vírus contêm genoma DNA fita simples. Circoviridae e
Parvoviridae.
O RNAm só pode ser feito a partir de um DNA fita dupla.
O DNA fita simples é produzido por uma DNA polimerase celular.
46
Saturday, October 22, 11
Genoma RNA
As células não tem RNA polimerase dependente de RNA, que podem
replicar o genoma de vírus de RNA ou mesmo fazer RNAm de RNA.
A RNA polimerase II é capaz de copiar um RNA molde.
Como a RNA polimerase II, uma enzima que produz RNAm a partir de
DNA molde é reprogramada para copiar RNA circular molde? Ainda não é
sabido.
47
Saturday, October 22, 11
RNA fita dupla
Existem oito famílias de vírus com RNA fita dupla. O número de
segmentos variam de 1 a 12.
O RNA (+) contém uma fita (+), que não pode ser traduzida como parte do
duplex. A fita (-) é primeiro copiada em RNAm por uma RNA polimerase
dependente de RNA para produzir as proteínas virais.
48
Saturday, October 22, 11
RNA fita simples (+)
Os vírus RNA (+) são os mais presentes no planeta. Existem 27 famílias
identificadas. Togaviridae, Picornaviridae, Flaviviridae, etc.
Eles podem ser diretamente traduzidos em proteínas.
O genoma é replicado em dois passos. O primeiro é a copia do genoma
para uma fita (-). A fita (-) é49então copiada para uma (+).
Saturday, October 22, 11
RNA fita simples (+) com DNA intermediário
O genoma RNA(+) dos retrovírus é convertido à um DNA fita dupla pela
DNA polimerase dependente de RNA (Trasncriptase reversa).
50
Saturday, October 22, 11
RNA fita simples (-)
Existem 7 famílias virais contendo este tipo de genoma.
51
Saturday, October 22, 11
O genoma na realidade adota estrutura secundaria ou mesmo
terciária
52
Saturday, October 22, 11
Algumas proteínas virais codificadas por quase todos os vírus
DNA
53
Saturday, October 22, 11
Recombinação gênica
54
Saturday, October 22, 11
Aplicação na biologia celular
55
Saturday, October 22, 11
Aplicação na biologia celular
56
Saturday, October 22, 11
Aplicação na biologia celular
57
Saturday, October 22, 11
Aplicação na biologia celular
58
Saturday, October 22, 11
Estrutura secundária e atividade biológica
59
Saturday, October 22, 11
RNA de interferência
60
Saturday, October 22, 11
Doenças genéticas que podem ser tratadas com vetores virais
61
Saturday, October 22, 11
Alguns vetores virais
62
Saturday, October 22, 11
63
Saturday, October 22, 11
Vetores retrovirais
64
Saturday, October 22, 11