Retrovirus

Ho deciso di dedicare questo post ad una famiglia di virus molto importanti: i Retroviridae. Preparatevi perchè sarà un bel mattone!
Perchè così tanto interesse per dei virus? Innanzitutto perchè lo studio dei virus spesso ha aiutato a comprendere alcuni importanti meccansimi molecolari, come lo splicing, la retrotrascrizione, l’oncogenesi e molto altro. Poi perchè alcuni virus sono responsabili di importanti patologie e quindi è bene che si studino per cercare di trovare delle possibili cure. At last but not the least perchè i virus possono essere usati come vettori in biologia. Ma ogni cosa a suo tempo.
Iniziamo con una descrizione generale di un Virus. Un virus è un agente infettivo che parassita le cellule. Ogni organismo vivente, dai batteri ai protozoi, dalle piante agli animali, ha i suoi propri virus. Ci sono virus specie-specifici, ovvero che infettano soltanto una singola specie e virus che hanno una minore specificità. Una volta infettata la cellula, ne utilizzano i meccanismi e le risorse per produrre quante più copie di loro stessi è possibile. Questo è, diciamo, quello che maggiormente si sa dei virus. Sono entità che è difficile classificare come organismi viventi veri e propri, ma a conti fatti lo sono. Esistono probabilmente da quando esistono le cellule, e si sono evoluti assieme agli ospiti che infettano. Nonostante vengano associati a malattie infettive mortali, il numero di virus effettivamente patogeni e pericolosi è relativamente basso. In particolare si è osservato che i virus più pericolosi sono in genere quelli che si sono evoluti più  recentemente per cui non abbiamo ancora imparato a contrastarli efficacemente. Se prendiamo invece i virus dell’influenza, a parte i casi di pandemie come quella della spagnola, difficilmente ce ne dobbiamo preoccupare, perchè coesistono con noi da centinaia di migliaia se non milioni di anni.
Solitamente sono delle particelle, di poche decine di nanometri di diametro, costituite da un involucro proteico (Capside) al cui interno è contenuto il genoma (DNA o RNA, a singola o a doppia elica). Il capside può essere a sua volta rivestito da un envelope, una membrana fosfolipidica di origine cellulare, all’interno della quale sono inserite delle glicoproteine virali.
La struttura del capside è dovuta al tipo di interazioni che le proteine che lo costituiscono hanno tra di loro. E’ stato osservato che o si presentano con struttura elicoidale oppure icosaedrica o mista.
Una volta terminato il ciclo vitale, le particelle virali (virioni) devono uscire dalla cellula ospite, e nel far questo o la lisano provocandone la morte, oppure semplicemente gemmano portandosi dietro frammenti di membrana plasmatica contenenti delle proteine virali. Queste proteine sono fondamentali al virus perchè sono il mezzo con cui il virus riconosce le cellule e le infetta, o attraverso “l’iniezione” del contenuto del capside all’interno del citoplasma o attraverso l’assorbimento dell’intero virione.
Retroviridae. A questa famiglia appartengono, appunto, tutti i retrovirus. Cos’hanno di particolare i retrovirus? Non tanto che hanno il genoma di RNA, quanto al fatto che questo genoma è presente all’interno della particella virale in doppia copia, si tratta quindi di un genoma diploide. Inoltre, questo genoma nonostante sia RNA non viene tradotto direttamente in proteine (come succede per altri virus a RNA), ma viene retro-trascritto in DNA a doppio filamento da una proteina interessantissima, la Trascrittasi Inversa o Retrotrascrittasi (RT), il DNA viene trasportato nel nucleo della cellula (Alcuni retrovirus non sono in grado di attraversare la membrana nucleare, quindi aspettano che la cellula si divida e che la membrana nucleare si dissolva) e viene integrato nel DNA dell’ospite, in posizioni casuali, ad opera di un enzima virale, l’integrasi che, assieme alla RT, è già presente assieme all’RNA genomico nel capside. Il DNA virale integrato (provirus) viene trascritto dalla RNApolimerasi della cellula ospite e vengono prodotti: RNA messaggeri che verranno maturati e tradotti in proteine, e RNA dell’intera lunghezza del genoma virale che costituirà poi il materiale genetico che verrà poi incluso nella particella virale in costruzione.
E’ un ciclo replicativo estremamente interessante ed estremamente complesso da studiare nel dettaglio (quindi lo risparmio, a meno che qualcuno non volesse approfondire l’argomento). Mi limiterò a parlare dei retrovirus in generale.
I retrovirus sono stati importantissimi per diversi motivi: il primo è che sono stati coloro che hanno abbattuto il dogma centrale della biologia molecolare, che prevedeva che l’informazione passasse invariabilmente da DNA a RNA e mai viceversa; hanno permesso la caratterizzazione di questo enzima fenomenale, che è la trascrittasi inversa, utilissima in laboratorio; grazie a loro sono stati scoperti i cosiddetti oncogeni (di cui ho parlato a bizzeffe, ma  che non mi stancherò mai di spiegare!!). Un dato interessante è che circa l’1% del nostro genoma è di origine retrovirale, e non è poco! Questo dimostra che i retrovirus ci accompagnano da molto, molto tempo.
Parliamo della trascrittasi inversa. Questo enzima è stato scoperto negli anni settanta da Baltimore e e Temin. E’ una proteina con diverse funzioni. E’ una DNA polimerasi RNA dipendente, una DNA polimerasi DNA dipendente e una ribonucleasi H (ovverossia digerisce l’RNA quando è accoppiato con DNA). Tanta roba, insomma. La RT inizia la sintesi di DNA usando come stampo l’RNA virale ed usando come primer (come innesco) un RNA transfer proveniente dalla cellula ospite che si lega all’RNA virale vicino alla sua estremità 5′ (Gli acidi nucleici hanno un’estremità 5′, cinque primo, ed un’estremità 3′, tre primo, e vengono sempre sintetizzati in direzione 5′-3′ a  partire da un primer, ovvero una sequenza di DNA o RNA che serve da innesco). Partendo da questo primer, la RT sintetizza il DNA, fino all’estremità 5′ dell’RNA virale, e qui si ferma perchè non c’è più nessuno stampo. Come ho detto prima, la RT ha anche una funzione di ribonucleasi H (ovverossia digerisce l’RNA quando è accoppiato con DNA), e questa è proprio la situazione a cui siamo di fronte, abbiamo del DNA appena sintetizzato ibridizzato con l’RNA virale. L’RNA viene degradato (non tutto, ma solo la zona ibridizzata col DNA) lasciando un filamento sporgente di DNA che si andrà ad accoppiare con l’estremità 3′ o della stessa identica molecola di RNA, oppure della sua compagna (i retrovirus hanno due copie di RNA identiche). Questo permette alla RT di continuare la sinetsi di DNA usando come primer il DNA sintetizzato all’inizio. Sintetizzato il primo filamento di DNA, l’RNA viene giustamente degradato, e deve essere sintetizzato il filamento complementare. In questo caso, i primer utilizzati sono dei primer di RNA che non sono stati completamente degradati dalla RT e che permettono il completamento del secondo filamento di DNA. Affascinante quanto complesso. Il DNA appena sintetizzato viene poi integrato nel DNA della cellula ospite.
Durante tutto questo tempo, la RT è diventata patrimonio di moltissimi laboratori di biologia molecolare e non solo. Viene utilizzata, ad esempio, per trasformare gli RNA messaggeri cellulari in DNA (cDNA) e poi su questi cDNA si possono eseguire delle PCR per quantificarli, clonarli, sequenziarli.. in questo modo si sono compresi molti processi regolativi. Attualmente ci sono dei sequenziatori automatici che sono in grado di sequenziare tutti gli RNA messaggeri cellulari presenti in un dato momento dopo averli retrotrascritti in cDNA. In questo modo si studia l’espressione genica cellulare nel tempo. Insomma, una serie di applicazioni estremamente affascinanti.
La RT inoltre non è a prova di errore, anzi! Si stima che in vivo il suo tasso di mutazione sia una ogni centomila nucleotidi. Che non è poco! Questa è la causa principale dell’evoluzione continua di questi virus.
I retrovirus sono stati anche il mezzo attraverso il quale sono stati scoperti gli oncogeni. Si stima che una buona fetta di tumori siano associabili a delle pregresse infezioni virali. Virus come quello del papilloma, quello dell’epatite B e C, il virus di Epstein-Barr (nessuno di questi è un retrovirus) sono associati rispettivamente al tumore del collo dell’utero, epatocarcinomi e Linfoma di Burkitt. Ci sono diversi modi con cui un virus può generare tumori.  Ad esempio, il virus del papilloma è cancerogeno perchè durante il suo ciclo virale produce due proteine (E6 ed E7) che inibiscono le proteine cellulari Rb e p53 (di cui ho parlato nel post: P53, il guardiano del genoma) sono due potenti oncosoppressori. Come sappiamo, se un oncosoppressore viene inibito si facilita lo sviluppo del cancro. Il virus di Epstein-Barr invece integra il suo genoma all’interno dei linfociti B dell’ospite. Se la cellula non viene lisata e se il genoma virale si è integrato in zone critiche (per esempio all’interno di un oncosoppressore, rendendolo inattivo, oppure nei pressi di un oncogene alterandone l’espressione) allora quel linfocita B può trasformarsi e diventare una cellula tumorale (anche perchè EBV produce alcune proteine, come LMP in grado di immortalizzare le cellule). Altrimenti, alcuni Virus (retrovirus) (per fortuna non ne sono ancora stati documentati sull’uomo) che vengono detti virus trasformanti acuti, portano nel loro genoma un gene estraneo, di origine cellulare, che è stato inglobato per sbaglio chissà quando durante l’evoluzione. Se questo gene è un oncogene abbiamo un’alta possibilità che la cellula infettata si trasformi. E’ questo il caso del cosiddetto Virus del sarcoma di Rous, scoperto all’inizio del ’900 da un medico americano, Rous appunto, che studiava il modo in cui un tumore del pollo si estendeva tra esemplare ad esemplare in maniera “infettiva”. Soltanto negli anni settanta si scoprì che questo virus era un retrovirus e che era così oncogeno perchè portava nel suo genoma una sequenza estranea che codificava per una proteina che è stata chiamata SRC (si pronuncia sarc, da sarcoma di Rous, appunto). SRC, che è stato il primo oncogene ad essere così scoperto,  non è una sequenza virale ma è derivata da un gene presente in moltissimi organismi, uomo compreso, ed è fondamentale nella sopravvivenza della cellula.  Come ho detto, questa sequenza deve essere stata inglobata per errore e nel tempo la forma virale (v-src) ha accumulato mutazioni su mutazioni (non sono sottoposte a selezione naturale) e che hanno reso costantemente attivata la proteina, funzionando quindi come oncogene attivato.  Con SRC si è aperto tutto un mondo all’oncologia molecolare, e se ne sono trovati tanti altri.

Ma adesso cambiamo leggermente discorso, e parliamo del più famoso dei retrovirus: HIV. Di HIV si può dire tutto, tranne che sia oncogeno. I pazienti infetti da HIV e con AIDS conclamata possono sviluppare dei tumori, ma questi non sono dovuti ad HIV quanto ad un altro virus, HHV-8, altrimenti noto come virus del sarcoma di Kaposi. Non starò qui a spiegare la patogenesi di HIV nè il modo con cui si contrae.  Se volete avere informazioni sull’epidemiologia di HIV e sulla sua diffusione vi consiglio il sito di UNAIDS. Mi limiterò a parlare di un argomento meno noto, ma molto interessante, che è l’origine di questo virus. HIV è un retrovirus, appartenente alla sottofamiglia dei Lentivirus. Da quando è scoppiata la pandemia, circa all’inizio degli anni ’80 del secolo scorso, si è cercato di capire da chi, quando e dove fosse spuntato questo virus, che prima praticamente non esisteva! I primi virus che si ipotizzò potessero essere i progenitori di HIV furono i lentivirus dei primati. In particolare, un virus subito saltò all’occhio, il SIV, o Simian Immunodeficiency Virus, che infetta una grande varietà di primati africani. Ci sono diversi SIV in circolazione. in partcolare il SIV degli scimpanzè sembra aver dato origine al HIV-1, mentre il SIV di una scimmia, il Cercocebus atys ha dato origine ad HIV-2. Perchè di HIV ce ne sono due ceppi, decisamente diversi tra di loro,  perchè derivano da due SIV diversi. l’HIV-1 è quello più diffuso e più virulento dei due. Tutte quste informazioni si sono ottenute studiando i virus dal punto di vista molecolare.
Rimane da chiarire quando e come è avvenuta la trasmissione tra scimmia a uomo. In alcune parti dell’Africa centrale è d’uso cacciare e nutrirsi di scimmie. Questa pratica può aver reso possibile l’infezione e quindi la trasmissione di quei virus che non solo erano in grado di infettare l’uomo, ma anche di passare da uomo a uomo. Non so in base a quali criteri, inoltre, sembra il primo passaggio del virus HIV dalla scimmia all’uomo sia avvenuto attorno agli anni 30 del secolo scorso, e poi portato in tutto il mondo. Teniamo anche presente che quelle zone (come del resto tutta l’africa, erano zone coloniali, è facile quindi pensare una trasmissione scimmia-> autoctoni-> colonialisti. La pandemia ha avuto un periodo di latenza abbastanza ampio, circa quarant’anni, prima di esplodere.
Un’ultima considerazione. Il tasso di mutazione di HIV è molto elevato. Quello che sorprende è che all’interno di un’unica persona infetta si sviluppano ceppi differenti di questo virus, e man mano si selezionano i più virulenti. Questo è dovuto alla bassa fedeltà con cui la RT trascrive il genoma virale.

Ok, so di avere scritto fin troppo. Spero di non avervi annoiato. Se avete domande o correzioni da fare usate i commenti!

References:

On the origin and evolution of the human immunodeficiency virus (HIV), EDWARD C. HOLMES. Biol. Rev. (2001), 76, pp. 239–254

Retroviral reverse transcriptases, Alon Herschhorn • Amnon Hizi. Cell. Mol. Life Sci. (2010) 67:2717–2747