Genoma virale

Analizziamo ora le caratteristiche dell’acido nucleico virale, di cui abbiamo già detto che è sempre presente in un unico tipo, è presente infatti il DNA nei desossiribovirus e l’RNA per i ribovirus, inoltre i nucleotidi che compongono l’acido nucleico sono gli stessi degli acidi nucleici delle cellule, le informazioni genetiche del virus devono infatti essere comprese anche dalle cellule, quindi la lingua che parlano questi acidi nucleici deve essere la stessa.

Le particolarità strutturali del genoma virale

Gli acidi nucleici virali possono presentarsi anche in forme inconsuete, che non ritroviamo nella cellula:

  • per esempio accanto ai virus che hanno un DNA a doppio filamento (la maggior parte), ci sono anche dei virus che hanno un DNA a singolo filamento
  • viceversa la maggior parte dei virus ad RNA ha un RNA a singolo filamento, ma ci sono anche dei virus che hanno un RNA a doppio filamento
  • ci sono poi dei virus, come il virus dell’epatite B, che ha un genoma molto particolare, è infatti circolare ma aperto, quindi gli estremi dell’anello non si saldano assieme, inoltre è un DNA parzialmente a doppio filamento, cioè per una certa porzione è a doppio filamento e per una certa porzione è a singolo filamento
  • un’altra forma particolare non presente nelle cellule è il RNA segmentato, cioè anziché essere un’unica molecola di RNA sopra cui ci sono i vari geni, abbiamo diversi segmenti di RNA, ciascuno dei quali è monocistronico, cioè codifica per una singola proteina

La polarità dell’RNA

Parlando di RNA a singolo filamento, dobbiamo introdurre un concetto importante, che è quello della polarità dell’RNA. Tale polarità viene definita per convenzione:

  • RNA positivo

L’RNA messaggero (quello in grado di legarsi ai ribosomi) viene definito a polarità positiva, quindi se noi ci riferiamo ad un RNA a singolo filamento definendolo a polarità positiva, significa che questo RNA ha la stessa sequenza e la stessa direzione dell’RNA messaggero per quella determinata proteina, quindi può funzionare proprio da RNA messaggero, può legarsi ai ribosomi ed essere tradotto. Se un RNA a singolo filamento non è in grado di ibridarsi al suo RNA messaggero, vuol dire che è un RNA a polarità positiva perché ha la sua stessa sequenza nucleotidica

  • RNA negativo

Se invece il mio RNA a singolo filamento può ibridarsi (quindi è complementare) al proprio RNA messaggero, si dice che esso ha una polarità negativa, quindi se un virus ha come genoma un RNA a singolo filamento a polarità negativa, vuol dire che questo filamento non può essere tradotto, ma prima dovrà essere trascritto in un filamento complementare a polarità positiva. A seconda del tipo di acido nucleico che il mio virus ha, esso attuerà dentro la cellula delle strategie replicative diverse

  • RNA ambisenso

Ci sono anche dei virus che hanno un genoma ad RNA ambisenso, ovvero una parte della molecola è a polarità positiva ed un’altra parte della stessa molecola, sempre dello stesso filamento, è a polarità negativa, quindi queste due parti all’interno della cellula si comporteranno in maniera diversa, il processo di replicazione sarà quindi diverso rispetto a quello di altri virus

Le dimensioni del genoma virale

I virus hanno dei genomi molto piccoli, perché devono essere contenuti all’interno di un capside di dimensioni ridotte. I virus umani più piccoli hanno circa 3000-3500 nucleotidi, per arrivare ad un massimo che è rappresentato dai poxvirus (tra cui citiamo il virus del vaiolo) che sono i più grandi, che hanno all’incirca 300-400 kilobasi (cioè 300’000 – 400’000 nucleotidi), comunque questi genomi sono di diversi logaritmi più piccoli dei genomi batterici, quindi di molti logaritmi più piccoli rispetto alle cellule eucariotiche. Di conseguenza il virus deve andare al risparmio, cioè ha poco materiale genetico e quel poco che ha lo deve occupare con dei geni che gli permettono di portare a termine il suo ciclo replicativo, infatti sono molto evoluti nello sfruttare al massimo questo poco materiale genetico. In linea di massima noi possiamo dire che un virus con un determinato patrimonio genetico, di determinate dimensioni, è in grado di codificare sempre molto di più di quello che potrebbe fare una cellula con lo stesso materiale genetico, infatti dato un certo numero di kilobasi, una cellula codifica 2-3 proteine, mentre un virus ne codifica molte di più, questo perché i virus presentano un fenomeno che viene chiamato compattazione genica, in quanto riesce a sfruttare al massimo quel poco materiale genetico che ha, perché per i virus non vale il concetto di una sequenza-un gene-una proteina, ma lo stesso materiale genetico può essere utilizzato in modi diversi per formare proteine diverse, quindi la stessa porzione di DNA od RNA può essere trascritta in vari modi, formando più proteine, sempre partendo dallo stesso materiale genetico.

Pertanto per i virus si preferisce utilizzare non il termine gene, ma il termine ORF (open reading frame, cioè cornice di lettura aperta). Una determinata quantità di genoma può essere letta con delle cornici di lettura diverse, quindi dando origine a più proteine.

Le possibili strategie

  • Un meccanismo molto comune in molti virus è la sovrapposizione degli ORF, cioè nella stessa sequenza, nello stesso tratto di DNA o di RNA si trovano accavallati molti ORF diversi, ciascuno con il suo inizio, quindi sulla stessa porzione di genoma abbiamo diversi siti d’inizio per la trascrizione
  • Splicing alternativo, in quanto viene generato un RNA che può subire 5-6, o anche di più, splicing diversi, sempre partendo dallo stesso RNA trascritto, e quindi si origineranno 5-6-7 RNA messaggeri differenti

Un altro concetto estremamente importante è dato dal fatto che alle dimensioni del genoma corrisponde un determinato grado di complessità, infatti più piccolo è il genoma, tanto più piccola è la particella virale (in termini di nanometri) e tanti meno caratteri può sintetizzare, quindi meno proteine può sintetizzare il virus. Le famiglie di virus umani sono divise in base al tipo di acido nucleico, i virus più grandi sono i poxvirus, il cui diametro arriva fino a 450 nanometri e l’acido nucleico arriva fino a 300 kilobasi, mentre via via che scendiamo lungo la nostra classificazione, vediamo che ci sono dei genomi sempre più piccoli, con le dimensioni virali che anch’esse sono sempre più piccole.

Parallelamente, se noi andassimo a vedere il numero di proteine codificate, per i poxvirus arriviamo a oltre 100 proteine, per i parvovirus (che sono i virus umani più piccoli e più semplici) abbiamo invece due soli geni che codificano per 5-6 proteine. È chiaro che se un virus ha più materiale genetico, non solo può utilizzarne una parte maggiore per formare una particella virale più grossa, ma ovviamente avrà molte più proteine enzimatiche per il proprio metabolismo, quindi dipenderà sempre meno dal metabolismo della cellula ospite. Per esempio i parvovirus sono dei virus estremamente piccoli, hanno un genoma piccolissimo, e per replicarsi dentro alle cellule devono infettare delle cellule proliferanti, ovvero solo se la cellula è in attiva replicazione (cioè se il ciclo cellulare è nella fase S) questi virus sono in grado di replicarsi, invece in cellule quiescenti non sono in grado di replicarsi, perché hanno bisogno di tutto un corredo enzimatico che la cellula esprime solo nella fase S, quindi la complessità e la grandezza del genoma determinano molte importanti caratteristiche dei virus.

Parlando del genoma dei virus, diamo ora due veloci informazioni su due importanti fenomeni genetici che interessano i virus.