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4.2.1 : Morphologie virale - Biologie


Les virus de toutes formes et tailles se composent d'un noyau d'acide nucléique, d'un revêtement protéique externe ou capside, et parfois d'une enveloppe externe.

Objectifs d'apprentissage

  • Décrire la relation entre le génome viral, la capside et l'enveloppe

Points clés

  • Les virus sont classés en quatre groupes en fonction de leur forme : filamenteux, isométrique (ou icosaédrique), enveloppés et tête et queue.
  • De nombreux virus se fixent à leurs cellules hôtes pour faciliter la pénétration de la membrane cellulaire, permettant leur réplication à l'intérieur de la cellule.
  • Les virus non enveloppés peuvent être plus résistants aux changements de température, de pH et à certains désinfectants que les virus enveloppés.
  • Le noyau du virus contient le petit génome simple ou double brin qui code les protéines que le virus ne peut pas obtenir de la cellule hôte.

Mots clés

  • capside: l'enveloppe protéique externe d'un virus
  • enveloppe: une structure enveloppante ou une couverture, telle qu'une membrane
  • filamenteux: Ayant la forme de fils ou de filaments
  • isométrique: de, ou étant un système géométrique de trois axes égaux se trouvant à angle droit les uns par rapport aux autres (en particulier en cristallographie)

Morphologie virale

Les virus sont acellulaires, ce qui signifie qu'ils sont des entités biologiques qui n'ont pas de structure cellulaire. Par conséquent, ils manquent de la plupart des composants des cellules, tels que les organites, les ribosomes et la membrane plasmique. Un virion se compose d'un noyau d'acide nucléique, d'un revêtement protéique externe ou capside, et parfois d'une enveloppe externe constituée de membranes protéiques et phospholipidiques dérivées de la cellule hôte. La capside est constituée de sous-unités protéiques appelées capsomères. Les virus peuvent également contenir des protéines supplémentaires, telles que des enzymes. La différence la plus évidente entre les membres des familles virales est leur morphologie, qui est assez diverse. Une caractéristique intéressante de la complexité virale est que la complexité de l'hôte et du virion ne sont pas corrélées. Certaines des structures de virions les plus complexes sont observées dans les bactériophages, des virus qui infectent les organismes vivants les plus simples : les bactéries.

Morphologie

Les virus se présentent sous de nombreuses formes et tailles, mais celles-ci sont cohérentes et distinctes pour chaque famille virale. En général, les formes des virus sont classées en quatre groupes : filamenteux, isométriques (ou icosaédriques), enveloppés et tête et queue. Les virus filamenteux sont longs et cylindriques. De nombreux virus végétaux sont filamenteux, dont le TMV (virus de la mosaïque du tabac). Les virus isométriques ont des formes à peu près sphériques, comme le poliovirus ou les virus de l'herpès. Les virus enveloppés ont des membranes entourant les capsides. Les virus animaux, tels que le VIH, sont fréquemment enveloppés. Les virus de la tête et de la queue infectent les bactéries. Ils ont une tête semblable aux virus icosaédriques et une queue en forme de virus filamenteux.

De nombreux virus utilisent une sorte de glycoprotéine pour se fixer à leurs cellules hôtes via des molécules sur la cellule appelées récepteurs viraux. Pour ces virus, l'attachement est une condition pour une pénétration ultérieure de la membrane cellulaire, leur permettant de compléter leur réplication à l'intérieur de la cellule. Les récepteurs utilisés par les virus sont des molécules qui se trouvent normalement à la surface des cellules et qui ont leurs propres fonctions physiologiques. Les virus ont simplement évolué pour utiliser ces molécules pour leur propre réplication.

Dans l'ensemble, la forme du virion et la présence ou l'absence d'une enveloppe nous renseignent peu sur la maladie que le virus peut provoquer ou sur les espèces qu'il pourrait infecter, mais ils restent des moyens utiles pour commencer la classification virale. Parmi les virions les plus complexes connus, le bactériophage T4, qui infecte le Escherichia coli bactérie, a une structure de queue que le virus utilise pour se fixer aux cellules hôtes et une structure de tête qui abrite son ADN. L'adénovirus, un virus animal non enveloppé qui provoque des maladies respiratoires chez l'homme, utilise des pointes de glycoprotéines dépassant de ses capsomères pour se fixer aux cellules hôtes. Les virus non enveloppés comprennent également ceux qui causent la polio (poliovirus), les verrues plantaires (papillomavirus) et l'hépatite A (virus de l'hépatite A).

Les virions enveloppés comme le VIH sont constitués d'acides nucléiques et de protéines de capside entourés d'une enveloppe bicouche phospholipidique et de ses protéines associées. Les glycoprotéines incluses dans l'enveloppe virale sont utilisées pour se fixer aux cellules hôtes. D'autres protéines d'enveloppe comprennent les protéines matricielles qui stabilisent l'enveloppe et jouent souvent un rôle dans l'assemblage des virions descendants. La varicelle, la grippe et les oreillons sont des exemples de maladies causées par des virus à enveloppe. En raison de la fragilité de l'enveloppe, les virus non enveloppés sont plus résistants aux changements de température, de pH et de certains désinfectants que les virus enveloppés.

Types d'acide nucléique

Contrairement à presque tous les organismes vivants qui utilisent l'ADN comme matériel génétique, les virus peuvent utiliser soit de l'ADN, soit de l'ARN. Le noyau du virus contient le génome ou le contenu génétique total du virus. Les génomes viraux ont tendance à être petits, ne contenant que les gènes qui codent pour des protéines que le virus ne peut pas obtenir de la cellule hôte. Ce matériel génétique peut être simple ou double brin. Il peut également être linéaire ou circulaire. Alors que la plupart des virus contiennent un seul acide nucléique, d'autres ont des génomes qui en ont plusieurs, appelés segments.

Dans les virus à ADN, l'ADN viral dirige les protéines de réplication de la cellule hôte pour synthétiser de nouvelles copies du génome viral et pour transcrire et traduire ce génome en protéines virales. Les virus à ADN provoquent des maladies humaines, telles que la varicelle, l'hépatite B et certaines maladies vénériennes, comme l'herpès et les verrues génitales.

Les virus à ARN ne contiennent que de l'ARN comme matériel génétique. Pour répliquer leurs génomes dans la cellule hôte, les virus à ARN codent pour des enzymes qui peuvent répliquer l'ARN en ADN, ce qui ne peut pas être fait par la cellule hôte. Ces enzymes ARN polymérase sont plus susceptibles de faire des erreurs de copie que les ADN polymérases et, par conséquent, font souvent des erreurs lors de la transcription. Pour cette raison, les mutations dans les virus à ARN se produisent plus fréquemment que dans les virus à ADN. Cela les amène à changer et à s'adapter plus rapidement à leur hôte. Les maladies humaines causées par les virus à ARN comprennent l'hépatite C, la rougeole et la rage.


Morphologie virale

Les virus se présentent sous de nombreuses formes et tailles, mais celles-ci sont cohérentes et distinctes pour chaque famille virale. Tous les virions ont un génome d'acide nucléique recouvert d'une couche protectrice de protéines, appelée capside. La capside est constituée de sous-unités protéiques appelées capsomères. Certaines capsides virales sont de simples « sphères » polyédriques, tandis que d'autres ont une structure assez complexe.

En général, les formes des virus sont classées en quatre groupes : filamenteux, isométriques (ou icosaédriques), enveloppés et tête et queue. Les virus filamenteux sont longs et cylindriques. De nombreux virus végétaux sont filamenteux, dont le TMV. Les virus isométriques ont des formes à peu près sphériques, comme le poliovirus ou les virus de l'herpès. Les virus enveloppés ont des membranes entourant les capsides. Les virus animaux, tels que le VIH, sont fréquemment enveloppés. Les virus de la tête et de la queue infectent les bactéries et ont une tête semblable aux virus icosaédriques et une forme de queue semblable aux virus filamenteux.

De nombreux virus utilisent une sorte de glycoprotéine pour se fixer à leurs cellules hôtes via des molécules sur la cellule appelées récepteurs viraux (Chiffre). Pour ces virus, l'attachement est une condition pour une pénétration ultérieure de la membrane cellulaire, afin qu'ils puissent achever leur réplication à l'intérieur de la cellule. Les récepteurs utilisés par les virus sont des molécules qui se trouvent normalement à la surface des cellules et qui ont leurs propres fonctions physiologiques. Les virus ont simplement évolué pour utiliser ces molécules pour leur propre réplication. Par exemple, le VIH utilise la molécule CD4 sur les lymphocytes T comme l'un de ses récepteurs. Le CD4 est un type de molécule appelée molécule d'adhésion cellulaire, qui a pour fonction de maintenir différents types de cellules immunitaires à proximité les unes des autres pendant la génération d'une réponse immunitaire des lymphocytes T.

Le virus KSHV se lie au récepteur xCT à la surface des cellules humaines. Les récepteurs xCT protègent les cellules contre le stress. Les cellules stressées expriment plus de récepteurs xCT que les cellules non stressées. Le virion KSHV provoque un stress des cellules, augmentant ainsi l'expression du récepteur auquel il se lie. (crédit : modification du travail par NIAID, NIH)

Parmi les virions les plus complexes connus, le bactériophage T4, qui infecte le Escherichia coli bactérie, a une structure de queue que le virus utilise pour se fixer aux cellules hôtes et une structure de tête qui abrite son ADN.

L'adénovirus, un virus animal non enveloppé qui provoque des maladies respiratoires chez l'homme, utilise des pointes de glycoprotéines dépassant de ses capsomères pour se fixer aux cellules hôtes. Les virus non enveloppés comprennent également ceux qui causent la polio (poliovirus), les verrues plantaires (papillomavirus) et l'hépatite A (virus de l'hépatite A).

Les virions enveloppés comme le VIH, l'agent causal du SIDA, sont constitués d'acide nucléique (ARN dans le cas du VIH) et de protéines de capside entourées d'une enveloppe bicouche phospholipidique et de ses protéines associées. Les glycoprotéines incluses dans l'enveloppe virale sont utilisées pour se fixer aux cellules hôtes. D'autres protéines d'enveloppe sont les protéines matricielles qui stabilisent l'enveloppe et jouent souvent un rôle dans l'assemblage des virions descendants. La varicelle, la grippe et les oreillons sont des exemples de maladies causées par des virus à enveloppe. En raison de la fragilité de l'enveloppe, les virus non enveloppés sont plus résistants aux changements de température, de pH et de certains désinfectants que les virus enveloppés.

Dans l'ensemble, la forme du virion et la présence ou l'absence d'une enveloppe nous renseignent peu sur la maladie que le virus peut provoquer ou sur les espèces qu'il pourrait infecter, mais ils restent des moyens utiles pour commencer la classification virale (Figure).

Connexion artistique

Les virus peuvent être de forme complexe ou relativement simples. Cette figure montre trois virions relativement complexes : le bactériophage T4, avec son groupe de tête contenant de l'ADN et ses fibres de queue qui se fixent aux cellules hôtes, l'adénovirus, qui utilise des pointes de sa capside pour se lier aux cellules hôtes et le VIH, qui utilise des glycoprotéines intégrées dans son enveloppe. se lier aux cellules hôtes. Notez que le VIH possède des protéines appelées protéines matricielles, internes à l'enveloppe, qui aident à stabiliser la forme du virion. (crédit « bactériophage, adénovirus » : modification des travaux par NCBI, NIH crédit « HIV retrovirus » : modification des travaux par NIAID, NIH)

Laquelle des affirmations suivantes concernant la structure du virus est vraie ?

  1. Tous les virus sont enfermés dans une membrane virale.
  2. Le capsomère est composé de petites sous-unités protéiques appelées capsides.
  3. L'ADN est le matériel génétique de tous les virus.
  4. Les glycoprotéines aident le virus à se fixer à la cellule hôte.

Classification des virus

Selon un système proposé dans les années 70 par le Comité international sur la taxonomie des virus (ICTV), la classification (nommage) était fournie :

  • Embranchement : Viricota
  • Classe : Viricètes
  • Commande : Virales
  • Famille : Viridae
  • Sous-famille : Virinae
  • Genre : Virus
  • Sous-genre : Virus

En dehors de ce système de classification, la virologie classe également les virus en fonction des caractéristiques suivantes :


105 Évolution virale, morphologie et classification

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Décrire comment les virus ont été découverts pour la première fois et comment ils sont détectés
  • Discutez de trois hypothèses sur l'évolution des virus
  • Décrire la structure générale d'un virus
  • Reconnaître les formes de base des virus
  • Comprendre les systèmes de classification passés et émergents pour les virus
  • Décrire la base du système de classification de Baltimore

Les virus sont des entités diverses : ils varient par leur structure, leurs méthodes de réplication et les hôtes qu'ils infectent. Presque toutes les formes de vie, des bactéries procaryotes et archéens aux eucaryotes tels que les plantes, les animaux et les champignons, ont des virus qui les infectent. Alors que la majeure partie de la diversité biologique peut être comprise à travers l'histoire de l'évolution (comme la façon dont les espèces se sont adaptées aux conditions environnementales changeantes et comment les différentes espèces sont liées les unes aux autres par une descendance commune), beaucoup de choses sur les origines et l'évolution des virus restent inconnues.

Découverte et détection

Les virus ont été découverts pour la première fois après le développement d'un filtre en porcelaine, le filtre Chamberland-Pasteur, capable d'éliminer toutes les bactéries visibles au microscope de tout échantillon liquide. En 1886, Adolph Meyer a démontré qu'une maladie des plants de tabac - la maladie de la mosaïque du tabac - pouvait être transférée d'une plante malade à une plante saine via des extraits de plantes liquides. En 1892, Dmitri Ivanowski montra que cette maladie pouvait être transmise de cette manière même après que le filtre Chamberland-Pasteur eut éliminé toutes les bactéries viables de l'extrait. Pourtant, il a fallu de nombreuses années avant qu'il ne soit prouvé que ces agents infectieux «filtrables» n'étaient pas simplement de très petites bactéries, mais étaient un nouveau type de très petites particules causant des maladies.

La plupart des virions, ou particules virales uniques, sont très petits, d'environ 20 à 250 nanomètres de diamètre. Cependant, certains virus récemment découverts provenant d'amibes ont un diamètre allant jusqu'à 1000 nm. À l'exception des grands virions, comme le poxvirus et d'autres grands virus à ADN, les virus ne peuvent pas être vus au microscope optique. Ce n'est qu'avec le développement du microscope électronique à la fin des années 1930 que les scientifiques ont obtenu leur première bonne vision de la structure du virus de la mosaïque du tabac (TMV) ((Figure)), discuté ci-dessus, et d'autres virus ((Figure)). La structure de surface des virions peut être observée à la fois par microscopie électronique à balayage et à transmission, tandis que les structures internes du virus ne peuvent être observées que sur des images d'un microscope électronique à transmission. L'utilisation de la microscopie électronique et d'autres technologies a permis la découverte de nombreux virus de tous les types d'organismes vivants.


Évolution des virus

Bien que les biologistes aient une connaissance considérable de la façon dont les virus actuels mutent et s'adaptent, on en sait beaucoup moins sur la façon dont les virus sont originaires. Lorsqu'ils explorent l'histoire de l'évolution de la plupart des organismes, les scientifiques peuvent examiner les archives fossiles et des preuves historiques similaires. Cependant, les virus ne se fossilisent pas, pour autant que nous le sachions, les chercheurs doivent donc extrapoler à partir d'enquêtes sur l'évolution des virus d'aujourd'hui et en utilisant des informations biochimiques et génétiques pour créer des histoires de virus spéculatives.

La plupart des chercheurs conviennent que les virus n'ont pas un seul ancêtre commun, et il n'y a pas non plus une seule hypothèse raisonnable sur les origines des virus. Il existe actuellement des scénarios évolutifs qui peuvent expliquer l'origine des virus. Une de ces hypothèses, la « décentralisation » ou la hypothèse régressive, suggère que les virus ont évolué à partir de cellules libres ou de parasites procaryotes intracellulaires. Cependant, de nombreux éléments de la façon dont ce processus a pu se produire restent un mystère. Une seconde hypothèse, l'évasion ou la hypothèse progressive, suggère que les virus proviennent de molécules d'ARN et d'ADN qui se sont échappées d'une cellule hôte. Une troisième hypothèse, la hypothèse d'auto-réplication, suggère que les virus peuvent provenir d'entités auto-répliquantes similaires à des transposons ou à d'autres éléments génétiques mobiles. Dans tous les cas, les virus continuent probablement d'évoluer avec les cellules dont ils dépendent comme hôtes.

À mesure que la technologie progresse, les scientifiques peuvent développer et affiner des hypothèses supplémentaires pour expliquer les origines des virus. Le domaine émergent appelé systématique moléculaire des virus tente de faire exactement cela grâce à des comparaisons de matériel génétique séquencé. Ces chercheurs espèrent un jour mieux comprendre l'origine des virus, une découverte qui pourrait conduire à des avancées dans les traitements des maladies qu'ils produisent.

Morphologie virale

Les virus sont non cellulaires, ce qui signifie qu'ils sont des entités biologiques qui n'ont pas de structure cellulaire. Ils manquent donc de la plupart des composants des cellules, tels que les organites, les ribosomes et la membrane plasmique. Un virion se compose d'un noyau d'acide nucléique, d'un revêtement protéique externe ou capside, et parfois d'une enveloppe externe constituée de membranes protéiques et phospholipidiques dérivées de la cellule hôte. Les virus peuvent également contenir des protéines supplémentaires, telles que des enzymes, dans la capside ou attachées au génome viral. La différence la plus évidente entre les membres de différentes familles virales est la variation de leur morphologie, qui est assez diverse. Une caractéristique intéressante de la complexité virale est que la complexité de l'hôte n'est pas nécessairement en corrélation avec la complexité du virion. En fait, certaines des structures de virions les plus complexes se trouvent dans les bactériophages, des virus qui infectent les organismes vivants les plus simples, les bactéries.

Morphologie

Les virus se présentent sous de nombreuses formes et tailles, mais ces caractéristiques sont cohérentes pour chaque famille virale. Comme nous l'avons vu, tous les virions ont un génome d'acide nucléique recouvert d'une capside protectrice. Les protéines de la capside sont codées dans le génome viral et sont appelées capsomères . Certaines capsides virales sont de simples hélices ou des « sphères » polyédriques, tandis que d'autres ont une structure assez complexe ((Figure)).


En général, les capsides des virus sont classées en quatre groupes : hélicoïdales, icosaédriques, enveloppées et tête-queue. Capsides hélicoïdales sont longs et cylindriques. De nombreux virus végétaux sont hélicoïdaux, y compris le TMV. Virus icosaédriques ont des formes à peu près sphériques, comme celles des poliovirus ou des herpèsvirus. Virus enveloppés ont des membranes dérivées de la cellule hôte qui entoure les capsides. Les virus animaux, tels que le VIH, sont fréquemment enveloppés. Virus tête et queue infectent les bactéries et ont une tête semblable aux virus icosaédriques et une queue en forme de virus hélicoïdaux.

De nombreux virus utilisent une sorte de glycoprotéine se fixer à leurs cellules hôtes via des molécules sur la cellule appelées récepteurs viraux . Pour ces virus, la fixation n'est requise pour une pénétration ultérieure de la membrane cellulaire qu'une fois la pénétration effectuée, le virus peut terminer sa réplication à l'intérieur de la cellule. Les récepteurs utilisés par les virus sont des molécules qui se trouvent normalement à la surface des cellules et qui ont leurs propres fonctions physiologiques. Il semble que les virus aient simplement évolué pour utiliser ces molécules pour leur propre réplication. Par exemple, le VIH utilise la molécule CD4 sur les lymphocytes T comme l'un de ses récepteurs ((Figure)). Le CD4 est un type de molécule appelé molécule d'adhésion cellulaire, qui a pour fonction de maintenir différents types de cellules immunitaires à proximité les uns des autres pendant la génération d'une réponse immunitaire des lymphocytes T.


L'un des virions les plus complexes connus, le bactériophage T4 (qui infecte le Escherichia coli) bactérie, a une structure de queue que le virus utilise pour se fixer aux cellules hôtes et une structure de tête qui abrite son ADN.

L'adénovirus, un virus animal non enveloppé qui provoque des maladies respiratoires chez l'homme, utilise des pointes de glycoprotéines dépassant de ses capsomères pour se fixer aux cellules hôtes. Les virus non enveloppés comprennent également ceux qui causent la polio (poliovirus), les verrues plantaires (papillomavirus) et l'hépatite A (virus de l'hépatite A).

Les virions enveloppés, tels que le virus de la grippe, sont constitués d'acide nucléique (ARN dans le cas de la grippe) et de protéines de capside entourées d'une enveloppe bicouche phospholipidique qui contient des protéines codées par le virus. Les glycoprotéines incluses dans l'enveloppe virale sont utilisées pour se fixer aux cellules hôtes. D'autres protéines d'enveloppe sont les protéines matricielles qui stabilisent l'enveloppe et jouent souvent un rôle dans l'assemblage des virions descendants. La varicelle, le VIH et les oreillons sont d'autres exemples de maladies causées par des virus à enveloppe. En raison de la fragilité de l'enveloppe, les virus non enveloppés sont plus résistants aux changements de température, de pH et de certains désinfectants que les virus enveloppés.

Dans l'ensemble, la forme du virion et la présence ou l'absence d'une enveloppe nous renseignent peu sur la maladie que le virus peut provoquer ou sur les espèces qu'il pourrait infecter, mais ils restent des moyens utiles pour commencer la classification virale ((Figure)).


Laquelle des affirmations suivantes concernant la structure du virus est vraie ?

  1. Tous les virus sont enfermés dans une membrane virale.
  2. Le capsomère est composé de petites sous-unités protéiques appelées capsides.
  3. L'ADN est le matériel génétique de tous les virus.
  4. Les glycoprotéines aident le virus à se fixer à la cellule hôte.

Types d'acide nucléique

Contrairement à presque tous les organismes vivants qui utilisent l'ADN comme matériel génétique, les virus peuvent utiliser soit de l'ADN, soit de l'ARN. Le noyau du virus contient le génome, c'est-à-dire le contenu génétique total du virus. Les génomes viraux ont tendance à être petits, ne contenant que les gènes qui codent pour des protéines que le virus ne peut pas obtenir de la cellule hôte. Ce matériel génétique peut être simple ou double brin. Il peut également être linéaire ou circulaire. Alors que la plupart des virus contiennent un seul acide nucléique, d'autres ont des génomes divisés en plusieurs segments. Le génome à ARN du virus de la grippe est segmenté, ce qui contribue à sa variabilité et à son évolution continue, et explique pourquoi il est difficile de développer un vaccin contre celui-ci.

Dans les virus à ADN, l'ADN viral dirige les protéines de réplication de la cellule hôte pour synthétiser de nouvelles copies du génome viral et pour transcrire et traduire ce génome en protéines virales. Les maladies humaines causées par des virus à ADN comprennent la varicelle, l'hépatite B et les adénovirus. Les virus à ADN sexuellement transmissibles comprennent le virus de l'herpès et le virus du papillome humain (VPH), qui ont été associés au cancer du col de l'utérus et aux verrues génitales.

Les virus à ARN ne contiennent que de l'ARN comme matériel génétique. Pour répliquer leurs génomes dans la cellule hôte, les virus à ARN doivent coder leurs propres enzymes capables de répliquer l'ARN en ARN ou, chez les rétrovirus, en ADN. Ces Enzymes ARN polymérase sont plus susceptibles de faire des erreurs de copie que les ADN polymérases, et font donc souvent des erreurs lors de la transcription. Pour cette raison, les mutations dans les virus à ARN se produisent plus fréquemment que dans les virus à ADN. Cela les amène à changer et à s'adapter plus rapidement à leur hôte. Les maladies humaines causées par les virus à ARN comprennent la grippe, l'hépatite C, la rougeole et la rage. Le virus VIH, qui est sexuellement transmissible, est un rétrovirus à ARN.

Le défi de la classification des virus

Parce que la plupart des virus ont probablement évolué à partir d'ancêtres différents, les méthodes systématiques que les scientifiques ont utilisées pour classer les cellules procaryotes et eucaryotes ne sont pas très utiles. Si les virus représentent des « restes » de différents organismes, alors même l'analyse génomique ou protéique n'est pas utile. Pourquoi?, Parce que les virus n'ont pas de séquence génomique commune qu'ils partagent tous. Par exemple, la séquence d'ARNr 16S si utile pour construire des phylogénies procaryotes n'est d'aucune utilité pour une créature sans ribosomes ! Les biologistes ont utilisé plusieurs systèmes de classification dans le passé. Les virus ont été initialement regroupés par morphologie commune. Plus tard, les groupes de virus ont été classés selon le type d'acide nucléique qu'ils contenaient, ADN ou ARN, et si leur acide nucléique était simple ou double brin. Cependant, ces méthodes de classification antérieures regroupaient les virus différemment, car elles étaient basées sur différents ensembles de caractères du virus. La méthode de classification la plus couramment utilisée aujourd'hui s'appelle le schéma de classification de Baltimore et est basée sur la façon dont l'ARN messager (ARNm) est généré dans chaque type particulier de virus.

Systèmes de classification antérieurs

Les virus ne contiennent que quelques éléments permettant de les classer : le génome viral, le type de capside et la structure de l'enveloppe des virus enveloppés. Tous ces éléments ont été utilisés dans le passé pour la classification virale ((Figure) et (Figure)). Les génomes viraux peuvent varier selon le type de matériel génétique (ADN ou ARN) et son organisation (simple ou double brin, linéaire ou circulaire, segmenté ou non segmenté). Dans certains virus, des protéines supplémentaires nécessaires à la réplication sont directement associées au génome ou contenues dans la capside virale.

  • ARN
  • ADN
  • Virus de la rage, rétrovirus
  • Herpesvirus, virus de la variole
  • Simple brin
  • Double brin
  • Virus de la rage, rétrovirus
  • Herpesvirus, virus de la variole
  • Linéaire
  • Circulaire
  • Virus de la rage, rétrovirus, virus de l'herpès, virus de la variole
  • Papillomavirus, de nombreux bactériophages
  • Non segmenté : le génome est constitué d'un seul segment de matériel génétique
  • Segmenté : le génome est divisé en plusieurs segments
  • Virus parainfluenza
  • Virus de la grippe


Les virus peuvent également être classés par la conception de leurs capsides ((Figure) et (Figure)). Les capsides sont classées en icosaédriques nus, icosaédriques enveloppés, hélicoïdaux enveloppés, hélicoïdaux nus et complexes. Le type de matériel génétique (ADN ou ARN) et sa structure (simple ou double brin, linéaire ou circulaire et segmenté ou non segmenté) sont utilisés pour classer les structures du noyau du virus ((Figure)).

Classification des virus par structure de capside
Classification de la capside Exemples
Icosaèdre nu Virus de l'hépatite A, poliovirus
Icosaèdre enveloppé Virus d'Epstein-Barr, virus de l'herpès simplex, virus de la rubéole, virus de la fièvre jaune, VIH-1
Enveloppé hélicoïdal Virus de la grippe, virus des oreillons, virus de la rougeole, virus de la rage
hélicoïdal nu Virus de la mosaïque du tabac
Complexe avec de nombreuses protéines, certaines ont des combinaisons de structures de capside icosaédriques et hélicoïdales Herpèsvirus, virus de la variole, virus de l'hépatite B, bactériophage T4


Classement de Baltimore

Le système de classification des virus le plus couramment et actuellement utilisé a été développé pour la première fois par le biologiste lauréat du prix Nobel David Baltimore au début des années 1970. En plus des différences de morphologie et de génétique mentionnées ci-dessus, le schéma de classification de Baltimore regroupe les virus en fonction de la façon dont l'ARNm est produit pendant le cycle de réplication du virus.

Les virus du groupe I contiennent un ADN double brin (ADNdb) comme génome. Leur ARNm est produit par transcription de la même manière qu'avec l'ADN cellulaire, en utilisant les enzymes de la cellule hôte.

Les virus du groupe II ont un ADN simple brin (ADNsb) comme génome. Ils convertissent leurs génomes simple brin en un intermédiaire d'ADNdb avant que la transcription en ARNm ne puisse se produire.

Les virus du groupe III utilisent l'ARNdb comme génome. Les brins se séparent et l'un d'eux est utilisé comme matrice pour la génération d'ARNm à l'aide de l'ARN polymérase ARN-dépendante codée par le virus.

Les virus du groupe IV ont un ssRNA comme génome avec un polarité positive, ce qui signifie que l'ARN génomique peut servir directement d'ARNm. Les intermédiaires d'ARNdb, appelés intermédiaires réplicatifs , sont fabriqués dans le processus de copie de l'ARN génomique. De multiples brins d'ARN pleine longueur de polarité négative (complémentaires à l'ARN génomique à brin positif) sont formés à partir de ces intermédiaires, qui peuvent ensuite servir de matrices pour la production d'ARN à polarité positive, comprenant à la fois de l'ARN génomique complet et des ARNm viraux plus courts.

Les virus du groupe V contiennent des génomes d'ARNss avec une polarité négative, ce qui signifie que leur séquence est complémentaire de l'ARNm. Comme pour les virus du groupe IV, les intermédiaires ARNdb sont utilisés pour faire des copies du génome et produire de l'ARNm. Dans ce cas, le génome à brin négatif peut être converti directement en ARNm. De plus, des brins d'ARN positifs de pleine longueur sont conçus pour servir de matrices pour la production du génome à brin négatif.

Les virus du groupe VI ont des génomes d'ARNsb diploïdes (deux copies) qui doivent être convertis, en utilisant l'enzyme transcriptase inverse, en ADNdb. L'ADNdb est ensuite transporté vers le noyau de la cellule hôte et inséré dans le génome hôte. Ensuite, l'ARNm peut être produit par transcription de l'ADN viral qui a été intégré dans le génome de l'hôte.

Les virus du groupe VII ont des génomes d'ADNdb partiels et fabriquent des intermédiaires d'ARNss qui agissent comme ARNm, mais sont également reconvertis en génomes d'ADNdb par la transcriptase inverse, nécessaires à la réplication du génome.

Les caractéristiques de chaque groupe de la classification de Baltimore sont résumées dans (Figure) avec des exemples de chaque groupe.

Classement de Baltimore
Grouper Caractéristiques Mode de production d'ARNm Exemple
je ADN double brin L'ARNm est transcrit directement à partir de la matrice d'ADN Herpès simplex (herpèsvirus)
II ADN simple brin L'ADN est converti en forme double brin avant que l'ARN ne soit transcrit Parvovirus canin (parvovirus)
III ARN double brin L'ARNm est transcrit à partir du génome de l'ARN Gastro-entérite infantile (rotavirus)
IV ARN simple brin (+) Le génome fonctionne comme un ARNm Rhume banal (picornavirus)
V ARN simple brin (-) L'ARNm est transcrit à partir du génome de l'ARN Rage (rhabdovirus)
VI Virus à ARN simple brin avec transcriptase inverse La transcriptase inverse produit l'ADN du génome de l'ARN L'ADN est ensuite incorporé dans le génome de l'hôte L'ARNm est transcrit à partir de l'ADN incorporé Virus de l'immunodéficience humaine (VIH)
VII Virus à ADN double brin avec transcriptase inverse Le génome viral est un ADN double brin, mais l'ADN viral est répliqué à travers un ARN intermédiaire, l'ARN peut servir directement d'ARNm ou de matrice pour fabriquer l'ARNm Virus de l'hépatite B (hépadnavirus)

Résumé de la section

Les virus sont de minuscules entités non cellulaires qui ne peuvent généralement être vues qu'au microscope électronique. Leurs génomes contiennent soit de l'ADN, soit de l'ARN, jamais les deux, et ils se répliquent soit en utilisant les protéines de réplication d'une cellule hôte, soit en utilisant des protéines codées dans le génome viral. Les virus sont divers, infectant les archées, les bactéries, les champignons, les plantes et les animaux. Les virus sont constitués d'un noyau d'acide nucléique entouré d'une capside protéique avec ou sans enveloppe lipidique externe. La forme de la capside, la présence d'une enveloppe et la composition du noyau dictent certains éléments de la classification des virus. La méthode de classification la plus couramment utilisée, la classification de Baltimore, classe les virus en fonction de la façon dont ils produisent leur ARNm.

Questions de connexion visuelle

(Figure) Laquelle des affirmations suivantes concernant la structure du virus est vraie ?


Morphologie

Les virus se présentent sous de nombreuses formes et tailles, mais celles-ci sont cohérentes et distinctes pour chaque famille virale. Tous les virions ont un génome d'acide nucléique recouvert d'une couche protectrice de protéines, appelée un capside. La capside est constituée de sous-unités protéiques appelées capsomères. Certaines capsides virales sont de simples « sphères » polyédriques, tandis que d'autres ont une structure assez complexe.

En général, les formes des virus sont classées en quatre groupes : filamenteux, isométriques (ou icosaédriques), enveloppés et tête et queue. Les virus filamenteux sont longs et cylindriques. De nombreux virus végétaux sont filamenteux, dont le TMV. Les virus isométriques ont des formes à peu près sphériques, comme le poliovirus ou les virus de l'herpès. Les virus enveloppés ont des membranes entourant les capsides. Les virus animaux, tels que le VIH, sont fréquemment enveloppés. Les virus de la tête et de la queue infectent les bactéries et ont une tête semblable aux virus icosaédriques et une forme de queue semblable aux virus filamenteux.

De nombreux virus utilisent une sorte de glycoprotéine pour se fixer à leurs cellules hôtes via des molécules sur la cellule appelées récepteurs viraux (voir la figure ci-dessous). Pour ces virus, l'attachement est une condition pour une pénétration ultérieure de la membrane cellulaire, afin qu'ils puissent achever leur réplication à l'intérieur de la cellule. Les récepteurs utilisés par les virus sont des molécules qui se trouvent normalement à la surface des cellules et qui ont leurs propres fonctions physiologiques. Les virus ont simplement évolué pour utiliser ces molécules pour leur propre réplication. Par exemple, le VIH utilise la molécule CD4 sur les lymphocytes T comme l'un de ses récepteurs. Le CD4 est un type de molécule appelée molécule d'adhésion cellulaire, qui a pour fonction de maintenir différents types de cellules immunitaires à proximité les unes des autres pendant la génération d'une réponse immunitaire des lymphocytes T.

Le virus KSHV se lie au récepteur xCT à la surface des cellules humaines. Les récepteurs xCT protègent les cellules contre le stress. Les cellules stressées expriment plus de récepteurs xCT que les cellules non stressées. The KSHV virion causes cells to become stressed, thereby increasing expression of the receptor to which it binds. (credit: modification of work by NIAID, NIH)

Among the most complex virions known, the T4 bacteriophage, which infects the Escherichia coli bacterium, has a tail structure that the virus uses to attach to host cells and a head structure that houses its DNA.

Adenovirus, a non-enveloped animal virus that causes respiratory illnesses in humans, uses glycoprotein spikes protruding from its capsomeres to attach to host cells. Non-enveloped viruses also include those that cause polio (poliovirus), plantar warts (papillomavirus), and hepatitis A (hepatitis A virus).

Enveloped virions like HIV, the causative agent in AIDS, consist of nucleic acid (RNA in the case of HIV) and capsid proteins surrounded by a phospholipid bilayer envelope and its associated proteins. Glycoproteins embedded in the viral envelope are used to attach to host cells. Other envelope proteins are the matrix proteins that stabilize the envelope and often play a role in the assembly of progeny virions. Chicken pox, influenza, and mumps are examples of diseases caused by viruses with envelopes. Because of the fragility of the envelope, non-enveloped viruses are more resistant to changes in temperature, pH, and some disinfectants than enveloped viruses.

Overall, the shape of the virion and the presence or absence of an envelope tell us little about what disease the virus may cause or what species it might infect, but they are still useful means to begin viral classification (see the figure below).

Art Connection

Viruses can be either complex in shape or relatively simple. This figure shows three relatively complex virions: the bacteriophage T4, with its DNA-containing head group and tail fibers that attach to host cells adenovirus, which uses spikes from its capsid to bind to host cells and HIV, which uses glycoproteins embedded in its envelope to bind to host cells. Notice that HIV has proteins called matrix proteins, internal to the envelope, which help stabilize virion shape. (credit “bacteriophage, adenovirus”: modification of work by NCBI, NIH credit “HIV retrovirus”: modification of work by NIAID, NIH)

Which of the following statements about virus structure is true?

  1. All viruses are encased in a viral membrane.
  2. The capsomere is made up of small protein subunits called capsids.
  3. DNA is the genetic material in all viruses.
  4. Glycoproteins help the virus attach to the host cell.

Réponse

Glycoproteins help the virus attach to the host cell.


4.2.1: Viral Morphology - Biology

Viruses of all shapes and sizes consist of a nucleic acid core, an outer protein coating or capsid, and sometimes an outer envelope.

Objectifs d'apprentissage

Describe the relationship between the viral genome, capsid, and envelope

Points clés à retenir

Points clés

  • Viruses are classified into four groups based on shape: filamentous, isometric (or icosahedral), enveloped, and head and tail.
  • Many viruses attach to their host cells to facilitate penetration of the cell membrane, allowing their replication inside the cell.
  • Non-enveloped viruses can be more resistant to changes in temperature, pH, and some disinfectants than are enveloped viruses.
  • The virus core contains the small single- or double-stranded genome that encodes the proteins that the virus cannot get from the host cell.

Mots clés

  • capsid: the outer protein shell of a virus
  • envelope: an enclosing structure or cover, such as a membrane
  • filamentous: Having the form of threads or filaments
  • isometric: of, or being a geometric system of three equal axes lying at right angles to each other (especially in crystallography)

Viral Morphology

Viruses are acellular, meaning they are biological entities that do not have a cellular structure. Therefore, they lack most of the components of cells, such as organelles, ribosomes, and the plasma membrane. A virion consists of a nucleic acid core, an outer protein coating or capsid, and sometimes an outer envelope made of protein and phospholipid membranes derived from the host cell. The capsid is made up of protein subunits called capsomeres. Viruses may also contain additional proteins, such as enzymes. The most obvious difference between members of viral families is their morphology, which is quite diverse. An interesting feature of viral complexity is that host and virion complexity are uncorrelated. Some of the most intricate virion structures are observed in bacteriophages, viruses that infect the simplest living organisms: bacteria.

Morphology

Example of a virus attaching to its host cell: The KSHV virus binds the xCT receptor on the surface of human cells. This attachment allows for later penetration of the cell membrane and replication inside the cell.

Viruses come in many shapes and sizes, but these are consistent and distinct for each viral family. In general, the shapes of viruses are classified into four groups: filamentous, isometric (or icosahedral), enveloped, and head and tail. Filamentous viruses are long and cylindrical. Many plant viruses are filamentous, including TMV (tobacco mosaic virus). Isometric viruses have shapes that are roughly spherical, such as poliovirus or herpesviruses. Enveloped viruses have membranes surrounding capsids. Animal viruses, such as HIV, are frequently enveloped. Head and tail viruses infect bacteria. They have a head that is similar to icosahedral viruses and a tail shape like filamentous viruses.

Many viruses use some sort of glycoprotein to attach to their host cells via molecules on the cell called viral receptors. For these viruses, attachment is a requirement for later penetration of the cell membrane, allowing them to complete their replication inside the cell. The receptors that viruses use are molecules that are normally found on cell surfaces and have their own physiological functions. Viruses have simply evolved to make use of these molecules for their own replication.

Overall, the shape of the virion and the presence or absence of an envelope tell us little about what disease the virus may cause or what species it might infect, but they are still useful means to begin viral classification. Among the most complex virions known, the T4 bacteriophage, which infects the Escherichia coli bacterium, has a tail structure that the virus uses to attach to host cells and a head structure that houses its DNA. Adenovirus, a non-enveloped animal virus that causes respiratory illnesses in humans, uses glycoprotein spikes protruding from its capsomeres to attach to host cells. Non-enveloped viruses also include those that cause polio (poliovirus), plantar warts (papillomavirus), and hepatitis A (hepatitis A virus).

Examples of virus shapes: Viruses can be either complex in shape or relatively simple. This figure shows three relatively-complex virions: the bacteriophage T4, with its DNA-containing head group and tail fibers that attach to host cells adenovirus, which uses spikes from its capsid to bind to host cells and HIV, which uses glycoproteins embedded in its envelope to bind to host cells.

Enveloped virions like HIV consist of nucleic acid and capsid proteins surrounded by a phospholipid bilayer envelope and its associated proteins. Glycoproteins embedded in the viral envelope are used to attach to host cells. Other envelope proteins include the matrix proteins that stabilize the envelope and often play a role in the assembly of progeny virions. Chicken pox, influenza, and mumps are examples of diseases caused by viruses with envelopes. Because of the fragility of the envelope, non-enveloped viruses are more resistant to changes in temperature, pH, and some disinfectants than are enveloped viruses.

Types of Nucleic Acid

Unlike nearly all living organisms that use DNA as their genetic material, viruses may use either DNA or RNA. The virus core contains the genome or total genetic content of the virus. Viral genomes tend to be small, containing only those genes that encode proteins that the virus cannot obtain from the host cell. This genetic material may be single- or double-stranded. It may also be linear or circular. While most viruses contain a single nucleic acid, others have genomes that have several, called segments.

In DNA viruses, the viral DNA directs the host cell’s replication proteins to synthesize new copies of the viral genome and to transcribe and translate that genome into viral proteins. DNA viruses cause human diseases, such as chickenpox, hepatitis B, and some venereal diseases, like herpes and genital warts.

RNA viruses contain only RNA as their genetic material. To replicate their genomes in the host cell, the RNA viruses encode enzymes that can replicate RNA into DNA, which cannot be done by the host cell. These RNA polymerase enzymes are more likely to make copying errors than DNA polymerases and, therefore, often make mistakes during transcription. For this reason, mutations in RNA viruses occur more frequently than in DNA viruses. This causes them to change and adapt more rapidly to their host. Human diseases caused by RNA viruses include hepatitis C, measles, and rabies.


Viral type A and type B hepatitis: morphology, biology, immunology and epidemiology--a review

Viral hepatitis is one of the most serious infectious diseases in the United States and is of great concern to the public health agencies, hospitals and research laboratories. Progress in our knowledge of this disease has been based on cooperation between specialists in many diverse scientific disciplines employing sophisticated scientific instruments and technics. Close cooperation between clinical pathologists and clinicians is of great importance in diagnosis. Biologic, immunologic, epidemiologic and morphologic studies have resulted in the demonstration that the disease is the result of infection with at least two different viruses, described as type A and type B hepatitis viruses. The first induces type A hepatitis (infectious or epidemic, or MS-2 strain) of longer incubation period, is transmitted parenterally and apparently by inhalation or ingestion of virus-containing material, by venereal means as well as by other means. Extremely sensitive methods are now available for the detection of hepatitis type B infection, based on the results of biochemical, biophysical and immunoelectronmicroscopic studies that resulted in our knowledge of structure and composition of type B virus, and our knowledge of host immune responses to the various components of this virus. Thus it is now known that two antigen-antibody systems are associated with viral hepatitis type B: hepatitis B surface antigen (HBsAg) and antibody (HBsAb) and hepatitis B core antigen (HBcAg) and antibody to it (HBcAb). The test for antibody to HBcAg appears to be a sensitive indicator of viral replication when only subdetectable amounts of HBsAg are circulated. Since the recent discovery and characterization of type A hepatitis virus, great progress has been made in our understanding of the relationship between type A and type B hepatitis viruses. There is no cross immunity between the two viruses, and as is now suspected, there may be at least another virus, described as type C virus, which may play an etiologic role in viral hepatitis. There is no doubt now that type A and type B hepatitis viruses can be transmitted to monkeys type A to marmosets and chimpanzees, type B to chimpanzees and rhesus monkeys. The two viruses are serologically and immunologically distinct. This knowledge and the results of biologic experiments have laid a solid foundation of meaningful diagnostic procedures for the two types of viral hepatitis. Advances in biophysical and biochemical procedures of treatment of sera of hepatitis B patients have resulted in availability of viral material, noninfectious but immunogenic, for vaccination of chimpanzees. Protective efficacy trials of the vaccine in chimpanzees have demonstrated the vaccine to be fully protective against high doses of infectious hepatitis B virus.


Morphology and morphogenesis of SARS-CoV-2 in Vero-E6 cells

Fond: The coronaviruses (CoVs) called the attention of the world for causing outbreaks of severe acute respiratory syndrome (SARS-CoV), in Asia in 2002-03, and respiratory disease in the Middle East (MERS-CoV), in 2012. In December 2019, yet again a new coronavirus (SARS-CoV-2) first identified in Wuhan, China, was associated with a severe respiratory infection, known today as COVID-19. This new virus quickly spread throughout China and 30 additional countries. As result, the World Health Organization (WHO) elevated the status of the COVID-19 outbreak from emergency of international concern to pandemic on March 11, 2020. The impact of COVID-19 on public health and economy fueled a worldwide race to approve therapeutic and prophylactic agents, but so far, there are no specific antiviral drugs or vaccines available. In current scenario, the development of in vitro systems for viral mass production and for testing antiviral and vaccine candidates proves to be an urgent matter.

Objective: The objective of this paper is study the biology of SARS-CoV-2 in Vero-E6 cells at the ultrastructural level.

Méthodes : In this study, we documented, by transmission electron microscopy and real-time reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR), the infection of Vero-E6 cells with SARS-CoV-2 samples isolated from Brazilian patients.

Findings: The infected cells presented cytopathic effects and SARS-CoV-2 particles were observed attached to the cell surface and inside cytoplasmic vesicles. The entry of the virus into cells occurred through the endocytic pathway or by fusion of the viral envelope with the cell membrane. Assembled nucleocapsids were verified inside rough endoplasmic reticulum cisterns (RER). Viral maturation seemed to occur by budding of viral particles from the RER into smooth membrane vesicles.

Main conclusions: Therefore, the susceptibility of Vero-E6 cells to SARS-CoV-2 infection and the viral pathway inside the cells were demonstrated by ultrastructural analysis.

Les figures

Fig. 1:. ultrastructural analyses of Vero-E6 cells…

Fig. 1:. ultrastructural analyses of Vero-E6 cells by electron microscopy. (A) Uninfected cell presenting no…

Fig. 2:. ultrastructural alterations in Vero-E6 72…

Fig. 2:. ultrastructural alterations in Vero-E6 72 h post infection (hpi) with severe acute respiratory…

Fig. 3:. intense smooth vesicle proliferation (V)…

Fig. 3:. intense smooth vesicle proliferation (V) in Vero-E6 72 h post infection (hpi) with…

Fig. 4:. (A-C) alterations of the nucleus…

Fig. 4:. (A-C) alterations of the nucleus (N) chromatin profile in Vero-E6 72 h post…

Fig. 5:. attachment and entry of severe…

Fig. 5:. attachment and entry of severe acute respiratory syndrome (SARS-CoV-2) in Vero-E6 cells 72…

Fig. 6:. release of severe acute respiratory…

Fig. 6:. release of severe acute respiratory syndrome (SARS-CoV-2) in Vero-E6 cells 72 h post…


Past Systems of Classification

Viruses are classified in several ways: by factors such as their core content ([link] and [link]), the structure of their capsids, and whether they have an outer envelope. The type of genetic material (DNA or RNA) and its structure (single- or double-stranded, linear or circular, and segmented or non-segmented) are used to classify the virus core structures.

  • ARN
  • ADN
  • Rabies virus, retroviruses
  • Herpesviruses, smallpox virus
  • Single-stranded
  • Double-stranded
  • Rabies virus, retroviruses
  • Herpesviruses, smallpox virus
  • Linear
  • Circular
  • Rabies virus, retroviruses, herpesviruses, smallpox virus
  • Papillomaviruses, many bacteriophages
  • Non-segmented: genome consists of a single segment of genetic material
  • Segmented: genome is divided into multiple segments
  • Parainfluenza viruses
  • Influenza viruses


Viruses can also be classified by the design of their capsids ([link] and [link]). Capsids are classified as naked icosahedral, enveloped icosahedral, enveloped helical, naked helical, and complex ([link] and [link]). The type of genetic material (DNA or RNA) and its structure (single- or double-stranded, linear or circular, and segmented or non-segmented) are used to classify the virus core structures ([link]).


Virus Classification by Capsid Structure
Capsid Classification Exemples
Naked icosahedral Hepatitis A virus, polioviruses
Enveloped icosahedral Epstein-Barr virus, herpes simplex virus, rubella virus, yellow fever virus, HIV-1
Enveloped helical Influenza viruses, mumps virus, measles virus, rabies virus
Naked helical Tobacco mosaic virus
Complex with many proteins some have combinations of icosahedral and helical capsid structures Herpesviruses, smallpox virus, hepatitis B virus, T4 bacteriophage



Biologie 171


Viruses are noncellular parasitic entities that cannot be classified within any kingdom. They can infect organisms as diverse as bacteria, plants, and animals. In fact, viruses exist in a sort of netherworld between a living organism and a nonliving entity. Living things grow, metabolize, and reproduce. In contrast, viruses are not cellular, do not have a metabolism or grow, and cannot divide by cell division. Virus pouvez copy, or replicate themselves however, they are entirely dependent on resources derived from their host cells to produce progeny viruses—which are assembled in their mature form. No one knows exactly when or how viruses evolved or from what ancestral source because viruses have not left a fossil record. Some virologists contend that modern viruses are a mosaic of bits and pieces of nucleic acids picked up from various sources along their respective evolutionary paths.

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Describe how viruses were first discovered and how they are detected
  • Discuss three hypotheses about how viruses evolved
  • Describe the general structure of a virus
  • Recognize the basic shapes of viruses
  • Understand past and emerging classification systems for viruses
  • Describe the basis for the Baltimore classification system

Viruses are diverse entities: They vary in structure, methods of replication, and the hosts they infect. Nearly all forms of life—from prokaryotic bacteria and archaeans, to eukaryotes such as plants, animals, and fungi—have viruses that infect them. While most biological diversity can be understood through evolutionary history (such as how species have adapted to changing environmental conditions and how different< species are related to one another through common descent), much about virus origins and evolution remains unknown.

Discovery and Detection

Viruses were first discovered after the development of a porcelain filter—the Chamberland-Pasteur filter—that could remove all bacteria visible in the microscope from any liquid sample. In 1886, Adolph Meyer demonstrated that a disease of tobacco plants— tobacco mosaic disease —could be transferred from a diseased plant to a healthy one via liquid plant extracts. In 1892, Dmitri Ivanowski showed that this disease could be transmitted in this way even after the Chamberland-Pasteur filter had removed all viable bacteria from the extract. Still, it was many years before it was proved that these “filterable” infectious agents were not simply very small bacteria but were a new type of very small, disease-causing particle.

Most virions , or single virus particles, are very small, about 20 to 250 nanometers in diameter. However, some recently discovered viruses from amoebae range up to 1000 nm in diameter. With the exception of large virions, like the poxvirus and other large DNA viruses, viruses cannot be seen with a light microscope. It was not until the development of the electron microscope in the late 1930s that scientists got their first good view of the structure of the tobacco mosaic virus (TMV) ((Figure)), discussed above, and other viruses ((Figure)). The surface structure of virions can be observed by both scanning and transmission electron microscopy, whereas the internal structures of the virus can only be observed in images from a transmission electron microscope. The use of electron microscopy and other technologies has allowed for the discovery of many viruses of all types of living organisms.


Evolution of Viruses

Although biologists have a significant amount of knowledge about how present-day viruses mutate and adapt, much less is known about how viruses originated in the first place. When exploring the evolutionary history of most organisms, scientists can look at fossil records and similar historic evidence. However, viruses do not fossilize, as far as we know, so researchers must extrapolate from investigations of how today’s viruses evolve and by using biochemical and genetic information to create speculative virus histories.

Most scholars agree that viruses don’t have a single common ancestor, nor is there a single reasonable hypothesis about virus origins. There are current evolutionary scenarios that may explain the origin of viruses. One such hypothesis, the “devolution” or the regressive hypothesis, suggests that viruses evolved from free-living cells, or from intracellular prokaryotic parasites. However, many components of how this process might have occurred remain a mystery. A second hypothesis, the escapist or the progressive hypothesis, suggests that viruses originated from RNA and DNA molecules that escaped from a host cell. A third hypothesis, the self-replicating hypothesis, suggests that viruses may have originated from self-replicating entities similar to transposons or other mobile genetic elements. In all cases, viruses are probably continuing to evolve along with the cells on which they rely on as hosts.

As technology advances, scientists may develop and refine additional hypotheses to explain the origins of viruses. The emerging field called virus molecular systematics attempts to do just that through comparisons of sequenced genetic material. These researchers hope one day to better understand the origin of viruses—a discovery that could lead to advances in the treatments for the ailments they produce.

Viral Morphology

Viruses are noncellular , meaning they are biological entities that do not have a cellular structure. They therefore lack most of the components of cells, such as organelles, ribosomes, and the plasma membrane. A virion consists of a nucleic acid core, an outer protein coating or capsid , and sometimes an outer envelope made of protein and phospholipid membranes derived from the host cell. Viruses may also contain additional proteins, such as enzymes, within the capsid or attached to the viral genome. The most obvious difference between members of different viral families is the variation in their morphology, which is quite diverse. An interesting feature of viral complexity is that the complexity of the host does not necessarily correlate with the complexity of the virion. In fact, some of the most complex virion structures are found in the bacteriophages —viruses that infect the simplest living organisms, bacteria.

Morphology

Viruses come in many shapes and sizes, but these features are consistent for each viral family. As we have seen, all virions have a nucleic acid genome covered by a protective capsid. The proteins of the capsid are encoded in the viral genome, and are called capsomeres . Some viral capsids are simple helices or polyhedral “spheres,” whereas others are quite complex in structure ((Figure)).


In general, the capsids of viruses are classified into four groups: helical, icosahedral, enveloped, and head-and-tail. Helical capsids are long and cylindrical. Many plant viruses are helical, including TMV. Icosahedral viruses have shapes that are roughly spherical, such as those of poliovirus or herpesviruses. Enveloped viruses have membranes derived from the host cell that surrounds the capsids. Animal viruses, such as HIV, are frequently enveloped. Head-and-tail viruses infect bacteria and have a head that is similar to icosahedral viruses and a tail shaped like helical viruses.

Many viruses use some sort of glycoprotein to attach to their host cells via molecules on the cell called viral receptors . For these viruses, attachment is required for later penetration of the cell membrane only after penetration takes place can the virus complete its replication inside the cell. The receptors that viruses use are molecules that are normally found on cell surfaces and have their own physiological functions. It appears that viruses have simply evolved to make use of these molecules for their own replication. For example, HIV uses the CD4 molecule on T lymphocytes as one of its receptors ((Figure)). CD4 is a type of molecule called a cell adhesion molecule, which functions to keep different types of immune cells in close proximity to each other during the generation of a T lymphocyte immune response.


One of the most complex virions known, the T4 bacteriophage (which infects the Escherichia coli) bacterium, has a tail structure that the virus uses to attach to host cells and a head structure that houses its DNA.

Adenovirus, a non-enveloped animal virus that causes respiratory illnesses in humans, uses glycoprotein spikes protruding from its capsomeres to attach to host cells. Non-enveloped viruses also include those that cause polio (poliovirus), plantar warts (papillomavirus), and hepatitis A (hepatitis A virus).

Enveloped virions, such as the influenza virus, consist of nucleic acid (RNA in the case of influenza) and capsid proteins surrounded by a phospholipid bilayer envelope that contains virus-encoded proteins. Glycoproteins embedded in the viral envelope are used to attach to host cells. Other envelope proteins are the matrix proteins that stabilize the envelope and often play a role in the assembly of progeny virions. Chicken pox, HIV, and mumps are other examples of diseases caused by viruses with envelopes. Because of the fragility of the envelope, non-enveloped viruses are more resistant to changes in temperature, pH, and some disinfectants than enveloped viruses.

Overall, the shape of the virion and the presence or absence of an envelope tell us little about what disease the virus may cause or what species it might infect, but they are still useful means to begin viral classification ((Figure)).


Which of the following statements about virus structure is true?

  1. All viruses are encased in a viral membrane.
  2. The capsomere is made up of small protein subunits called capsids.
  3. DNA is the genetic material in all viruses.
  4. Glycoproteins help the virus attach to the host cell.

Types of Nucleic Acid

Unlike nearly all living organisms that use DNA as their genetic material, viruses may use either DNA or RNA. The virus core contains the genome—the total genetic content of the virus. Viral genomes tend to be small, containing only those genes that encode proteins which the virus cannot get from the host cell. This genetic material may be single- or double-stranded. It may also be linear or circular. While most viruses contain a single nucleic acid, others have genomes divided into several segments. The RNA genome of the influenza virus is segmented, which contributes to its variability and continuous evolution, and explains why it is difficult to develop a vaccine against it.

In DNA viruses, the viral DNA directs the host cell’s replication proteins to synthesize new copies of the viral genome and to transcribe and translate that genome into viral proteins. Human diseases caused by DNA viruses include chickenpox, hepatitis B, and adenoviruses. Sexually transmitted DNA viruses include the herpes virus and the human papilloma virus (HPV), which has been associated with cervical cancer and genital warts.

RNA viruses contain only RNA as their genetic material. To replicate their genomes in the host cell, the RNA viruses must encode their own enzymes that can replicate RNA into RNA or, in the retroviruses, into DNA. Ces RNA polymerase enzymes are more likely to make copying errors than DNA polymerases, and therefore often make mistakes during transcription. For this reason, mutations in RNA viruses occur more frequently than in DNA viruses. This causes them to change and adapt more rapidly to their host. Human diseases caused by RNA viruses include influenza, hepatitis C, measles, and rabies. The HIV virus, which is sexually transmitted, is an RNA retrovirus.

The Challenge of Virus Classification

Because most viruses probably evolved from different ancestors, the systematic methods that scientists have used to classify prokaryotic and eukaryotic cells are not very useful. If viruses represent “remnants” of different organisms, then even genomic or protein analysis is not useful. Why?, Because viruses have no common genomic sequence that they all share. For example, the 16S rRNA sequence so useful for constructing prokaryote phylogenies is of no use for a creature with no ribosomes! Biologists have used several classification systems in the past. Viruses were initially grouped by shared morphology. Later, groups of viruses were classified by the type of nucleic acid they contained, DNA or RNA, and whether their nucleic acid was single- or double-stranded. However, these earlier classification methods grouped viruses differently, because they were based on different sets of characters of the virus. The most commonly used classification method today is called the Baltimore classification scheme, and is based on how messenger RNA (mRNA) is generated in each particular type of virus.

Past Systems of Classification

Viruses contain only a few elements by which they can be classified: the viral genome, the type of capsid, and the envelope structure for the enveloped viruses. All of these elements have been used in the past for viral classification ((Figure) and (Figure)). Viral genomes may vary in the type of genetic material (DNA or RNA) and its organization (single- or double-stranded, linear or circular, and segmented or non-segmented). In some viruses, additional proteins needed for replication are associated directly with the genome or contained within the viral capsid.

  • ARN
  • ADN
  • Rabies virus, retroviruses
  • Herpesviruses, smallpox virus
  • Single-stranded
  • Double-stranded
  • Rabies virus, retroviruses
  • Herpesviruses, smallpox virus
  • Linear
  • Circular
  • Rabies virus, retroviruses, herpesviruses, smallpox virus
  • Papillomaviruses, many bacteriophages
  • Non-segmented: genome consists of a single segment of genetic material
  • Segmented: genome is divided into multiple segments
  • Parainfluenza viruses
  • Influenza viruses


Viruses can also be classified by the design of their capsids ((Figure) and (Figure)). Capsids are classified as naked icosahedral, enveloped icosahedral, enveloped helical, naked helical, and complex. The type of genetic material (DNA or RNA) and its structure (single- or double-stranded, linear or circular, and segmented or non-segmented) are used to classify the virus core structures ((Figure)).

Virus Classification by Capsid Structure
Capsid Classification Exemples
Naked icosahedral Hepatitis A virus, polioviruses
Enveloped icosahedral Epstein-Barr virus, herpes simplex virus, rubella virus, yellow fever virus, HIV-1
Enveloped helical Influenza viruses, mumps virus, measles virus, rabies virus
Naked helical Tobacco mosaic virus
Complex with many proteins some have combinations of icosahedral and helical capsid structures Herpesviruses, smallpox virus, hepatitis B virus, T4 bacteriophage


Baltimore Classification

The most commonly and currently used system of virus classification was first developed by Nobel Prize-winning biologist David Baltimore in the early 1970s. In addition to the differences in morphology and genetics mentioned above, the Baltimore classification scheme groups viruses according to how the mRNA is produced during the replicative cycle of the virus.

Group I viruses contain double-stranded DNA (dsDNA) as their genome. Their mRNA is produced by transcription in much the same way as with cellular DNA, using the enzymes of the host cell.

Group II viruses have single-stranded DNA (ssDNA) as their genome. They convert their single-stranded genomes into a dsDNA intermediate before transcription to mRNA can occur.

Group III viruses use dsRNA as their genome. The strands separate, and one of them is used as a template for the generation of mRNA using the RNA-dependent RNA polymerase encoded by the virus.

Group IV viruses have ssRNA as their genome with a positive polarity, which means that the genomic RNA can serve directly as mRNA. Intermediates of dsRNA, called replicative intermediates , are made in the process of copying the genomic RNA. Multiple, full-length RNA strands of negative polarity (complementary to the positive-stranded genomic RNA) are formed from these intermediates, which may then serve as templates for the production of RNA with positive polarity, including both full-length genomic RNA and shorter viral mRNAs.

Group V viruses contain ssRNA genomes with a negative polarity , meaning that their sequence is complementary to the mRNA. As with Group IV viruses, dsRNA intermediates are used to make copies of the genome and produce mRNA. In this case, the negative-stranded genome can be converted directly to mRNA. Additionally, full-length positive RNA strands are made to serve as templates for the production of the negative-stranded genome.

Group VI viruses have diploid (two copies) ssRNA genomes that must be converted, using the enzyme reverse transcriptase , to dsDNA the dsDNA is then transported to the nucleus of the host cell and inserted into the host genome. Then, mRNA can be produced by transcription of the viral DNA that was integrated into the host genome.

Group VII viruses have partial dsDNA genomes and make ssRNA intermediates that act as mRNA, but are also converted back into dsDNA genomes by reverse transcriptase, necessary for genome replication.

The characteristics of each group in the Baltimore classification are summarized in (Figure) with examples of each group.

Baltimore Classification
Grouper Characteristics Mode of mRNA Production Exemple
je Double-stranded DNA mRNA is transcribed directly from the DNA template Herpes simplex (herpesvirus)
II Single-stranded DNA DNA is converted to double-stranded form before RNA is transcribed Canine parvovirus (parvovirus)
III Double-stranded RNA mRNA is transcribed from the RNA genome Childhood gastroenteritis (rotavirus)
IV Single stranded RNA (+) Genome functions as mRNA Common cold (picornavirus)
V Single stranded RNA (-) mRNA is transcribed from the RNA genome Rabies (rhabdovirus)
VI Single stranded RNA viruses with reverse transcriptase Reverse transcriptase makes DNA from the RNA genome DNA is then incorporated in the host genome mRNA is transcribed from the incorporated DNA Human immunodeficiency virus (HIV)
VII Double stranded DNA viruses with reverse transcriptase The viral genome is double-stranded DNA, but viral DNA is replicated through an RNA intermediate the RNA may serve directly as mRNA or as a template to make mRNA Hepatitis B virus (hepadnavirus)

Résumé de la section

Viruses are tiny, noncellular entities that usually can be seen only with an electron microscope. Their genomes contain either DNA or RNA—never both—and they replicate either by using the replication proteins of a host cell or by using proteins encoded in the viral genome. Viruses are diverse, infecting archaea, bacteria, fungi, plants, and animals. Viruses consist of a nucleic acid core surrounded by a protein capsid with or without an outer lipid envelope. The capsid shape, presence of an envelope, and core composition dictate some elements of the classification of viruses. The most commonly used classification method, the Baltimore classification, categorizes viruses based on how they produce their mRNA.

Connexions artistiques

(Figure) Which of the following statements about virus structure is true?


Voir la vidéo: Microbiologie Principes de la multiplication virale (Novembre 2021).