ساختار و ژنتیک ویروس ها

ویروس ها :

ویروس یک واحد ژنتیکی عفونی است و ساختار کوچکتری نسبت به باکتری ها دارد. خصوصیات ویروس‌ها (Viruses)، آن‌ها را در مرز بین موجود زنده و غیر زنده جای می‌دهد. ویروس‌ها به طور معمول هر دو سلول‌های یوکاریوت‌ها (مانند حیوانات ، حشرات و گیاهان) و پروکاریوت‌ها (مانند باکتری ها) را آلوده می‌کنند. ماده ژنتیکی ویروس‌ها درون یک پروتئین نگهدارنده قرار دارد، در واقع همین حفاظ ، ویروس‌ها را از پریون‌ها (عوامل عفونی که تنها از  پروتئین ساخته شده‌اند) و ویروئیدها (عوامل عفونی که نوکلئوتیدهایی از جنس RNA بدون پوشش پروتئینی هستند) برجسته و متفاوت می‌کنند.

ویروس ها بعنوان انگل های داخل سلولی :

این واحد های ژنتیکی کوچک انگل‌های داخل سلولی هستند، در واقع آن‌ها فقط با ورود به سلول میزبان و استفاده از منابع و جایگاه آن برای تولید مثل خود، می‌توانند افزایش یابند و تکثیر شوند. بعضی از آنها باعث آلودگی باکتری ها میشوند که باکتریوفاژ نام میگیرند و اغلب به صورت اختصاصی به آن‌ها فاژ (Phage) می‌گویند.

بیماری های ویروسی :

ویروس‌ها مسبب بسیاری از بیماری‌ها در بدن انسان هستند مانند سرماخوردگی، آنفولانزا، ابولا، آبله مرغان و ایدز . بیماری‌های ویروسی بوسیله مکانیسم‌های خارجی از جمله حشرات منتقل شده و شیوع پیدا می‌کنند، اما چنانچه جامعه انسانی قوانین و هنجارهای بهداشتی را به خوبی رعایت می‌کرد، کمتر با انواع ویروس‌های شایع در سراسر جهان درگیر بودیم.

گستردگی ویروس ها در زمین :

ویروس‌ها به طور گسترده در سراسر زمین مانند اقیانوس‌ها، رودخانه‌ها، چشمه‌های آب گرم و در اعماق زیر زمین پراکنده شده‌اند.منشا ژن‌های ویروسی، مانند ژن syncytin در ژن‌های پستانداران است، این ژن نقش محوری در تشکیل جفت در پروسه بارداری دارد، ژن syncytin در ژنوم بسیاری از ارگانیسم‌ها یافت می‌شود، این امر نشان می‌دهد که ویروس‌ها ممکن است، یکی از منابع تنوع ژنتیکی در دوره تکامل بوده‌اند.

ویروس ها موجودات غیر زنده :

به طور کلی ویروس‌ها موجودات غیر زنده بشمار میروند، زیرا همه فاکتورهای مورد قبول زندگی در آن‌ها دیده نمی‌شود. از جمله  این فاکتورها که میتوان نام برد این است که ویروس‌ها غشای سلولی ندارند و به تنهایی نمی‌توانند غشا بسازند یا حتی متابولیسم ندارند. پاسخ قطعی به این سوال که آیا ویروس‌ها موجودات زنده‌ای هستند یا خیر هنوز وجود ندارد، زیرا برخی از ارگانیسم‌ها هستند که زنده به شمار می‌آیند اما ویژگی‌هایی مانند ویروس‌ها را دارند.

ویروس کووید-19:

همه ما در دو سال گذشته با شیوع کووید-۱۹ و همه‌گیری جهانی، چیزهای بیشتری درباره ویروس‌ها یاد گرفته‌ایم. ویروس ها انسان را آلوده می کنند. اما، در واقع، ویروس‌ها بسیاری از ارگانیسم‌ها را آلوده می‌کنند، بنابراین شما ویروس‌هایی خواهید داشت که قارچ‌ها را آلوده می‌کنند و یا ویروس‌هایی که باکتری‌ها را آلوده می‌کنند.

ویروس هایی که انسان ها را آلوده می کنند تنها بخش کوچکی از ویروس هایی هستند که در جهان یافت می شوند. بیشترین فراوانی ویروس ها  مربوط به آنهایی است که باکتری ها را آلوده می کنند. بسیاری از تحقیقات آینده راه‌هایی را که ویروس‌ها در آن انسان‌ها را آلوده می‌کنند و راه‌های بالقوه توقف تکثیر ویروس در سلول‌های انسانی را آشکار خواهد کرد.

ساختار ویروس‌

یک ذره ویروسی کامل به نام ویرون شناخته می‌شود. ویرون‌ها کمی بیشتر از یک انتقال دهنده ژن‌ هستند، به طوری که دارای حداقل میزان نوکلئیک اسید بوده که توسط یک پوشش پروتئینی به نام کپسید پوشیده شده است.

کپسید از پروتئینی ایجاد شده که توسط ژنوم ویروس کدگذاری می‌شود و ممکن است ساختار کروی یا مارپیچ داشته باشد. این پروتئین‌ها همراه با اسیدهای نوکلئیک ساختارهایی به نام نوکلئوپروتئین‌ها را بوجود می آورند. ترکیب نوکلئوپروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک ساختارهایی بنام نوکلئوکپسید میسازند.

ژنتیک ویروس

در گونه‌های مختلف ویروس هر دو نوع اسید نوکلئیک یعنی DNA و RNA (DNA ویروسی ) (RNA ویروسی ) یافت می‌شوند اما در هر ویروس فقط یکی از آن‌ها وجود دارد و هیچ ویروسی به طور همزمان دارای DNA و RNA نیست. در این مورد تنها یک استثنا وجود دارد؛ سیتومگالویروس  (‌Cytomegalovirus)، نام ویروسی انسانی است که به طور همزمان یک DNA مرکزی و رشته mRNA  دارد.

اسید نوکلئیک در گونه‌های مختلف ویروس‌ها به صورت تک رشته یا دو رشته است. بنابراین در ویروس‌ها اسیدهای نوکلئیک به چهار حالت دو رشته و تک رشته DNA و دو رشته و تک رشته RNA دیده می‌شوند.

در ویروس‌های حیوانی تمام حالت‌های رشته‌های اسیدهای نوکلئیک دیده می‌شود اما در گیاهان تنها حالت تک رشته ‌RNA قابل مشاهده است. اکثر باکتریوفاژها هم دارای دو رشته DNA هستند. علاوه بر این‌ها تک یا دو رشته‌های DNA می‌توانند به صورت خطی یا حلقوی باشند.

اندازه ژنوم یا به اصطلاح وزن نوکلئوتیدها در بین گونه‌های مختلف می‌تواند متفاوت باشد. کوچک‌ترین ژنوم که تنها ۴ پروتئین را کد می‌کند، وزنی برابر یا ۱۰⁶ دالتون دارد. در حالی که بزرگ‌ترین ژنوم ویروسی ۱۰^۸ دالتون وزن داشته و بالغ بر ۱۰۰ پروتئین را کد می‌کند. برخی از ویروس‌ها نوکلئوتیدهای غیر طبیعی دارند. به عنوان مثال، این ویروس‌ها درون ژنوم خود به جای نوکلئوتید سیتوزین، هیدروکسی متیل سیتوزین دارند.

در ویروس‌هایی که دارای رشته‌های RNA هستند، این رشته‌ها به عنوان رشته مثبت (Plus Strand) یا رشته منفی (Minus Strand)   شناخته می‌شوند. رشته مثبت RNA ویروسی با رشته mRNA یکسان است و می‌تواند بلافاصله توسط سلول میزبان به پروتئین ترجمه شود. رشته منفی RNA ویروسی، مکمل رشته mRNA است و بنابراین باید ابتدا توسط RNA پلیمراز به رشته مثبت تبدیل شود و سپس مورد ترجمه قرار گیرد.

همه ژنوم‌های دو رشته‌ای از جنس‌ RNA و بعضی از ژنوم‌های تک رشته‌ای RNA قطعه قطعه هستند و به بخش‌های جدا از هم تقسیم می‌شوند.

هر بخش در یک رشته ممکن است یک پروتئین را کد کند. همچنین بخش‌های مختلف معمولا با هم دیگر در یک کپسید قرار می‌گیرند. این نکته قابل توجه است که برای ایجاد عفونت و بیماری‌زایی همیشه لازم نیست که تمام بخش‌های ژنوم یک ویروس درون یک ذره یا کپسید قرار بگیرند.

مورفولوژی

به طور کلی ویروس‌ها از نظر شکل به ۴ دسته تقسیم می‌شوند. در هر چهار نوع یک کپسید وجود دارد که می‌تواند مارپیچ، بیست وجهی و یا ترکیبی از هر دو آن‌ها باشد. واحدهای پروتئین‌هایی که توسط ژنوم ویروسی کد می‌شوند، پروتومر نام دارند و در کنار هم تجمع یافته و کپسیدها را شکل می‌دهند. تعداد کمی از ویروس‌ها کدهای پروتئین‌هایی که کپسید را می‌سازند، دارند اما این پروتئین‌ها به خودی خود نمی‌توانند با هم به شکل مجموعه‌ای، کپسید را بسازند.

ویروس‌های مارپیچی:

کپسیدهای مارپیچی یک نوع پروتومر محوری ایجاد می‌کنند که حول دایره مرکزی می‌چرخد و توسط لوله‌هایی که مانند پلکان مارپیچ هستند، احاطه می‌شود. این آرایش باعث تشکیل ویرون‌هایی میله‌ای شکل می‌شود که ممکن است کوتاه و محکم یا بلند و انعطاف پذیر باشند. ذرات ویروسی بلند مارپیچی باید انعطاف پذیر باشند تا از خراب شدن ساختار آن‌ها در فشارهای محیطی مختلف جلوگیری کنند.

مواد ژنتیکی ویروس در مرکز جسم لوله‌ای شکل قرار می‌گیرند و به این ترتیب از آسیب‌های محیط بیرون محافظت می‌شوند. در حالت کلی طول کپسیدهای مارپیچی وابسته به طول اسید نوکلئیکی است که درون آن‌ها قرار دارد، در حالی که قطر آن‌ها به طول کلی و آرایش پروتومرهای آن بستگی دارد. یکی از شناخته شده‌ترین ویروس‌هایی که کپسید مارپیچی دارد ویروس موزائیک تنباکو است.

ویروس‌های بیست وجهی:

کپسیدهای بیست وجهی متقارن ظاهری کروی از ویروس‌ها را در بزرگ‌ نمایی کم نشان می‌دهند. این کپسیدها از کپسومرهای آرایش یافته در یک الگوی هندسی منظم تشکیل شده‌اند که مانند توپ فوتبال هستند با این که آن‌ها دقیقا کروی نیستند.

کپسومرها ساختارهای حلقه مانندی هستند که از ۵ یا ۶ کپی از پروتومرها ساخته شده‌اند. این ساختارها از طریق پیوندهای غیر کووالانسی، اسید نوکلئیک هسته را احاطه می‌کنند.

تعداد پروتئین‌های لازم برای تشکیل کپسید ویروس‌های کروی با عبارت عدد T نمایش داده می‌شود که براساس فرمول  «60×T»  تعداد پروتئین‌ها بدست می‌آید. در مورد ویروس هپاتیت B عدد T برابر با ۴ است، بنابراین پروتئین‌های لازم برای تشکیل کپسید آن برابر با  ۲۴۰ می‌شود.

ویروس‌های پوشش دار:

علاوه بر کپسید برخی از ویروس‌ها می‌توانند غشای پلاسمایی تغییر یافته‌ای از سلول میزبان آلوده شده را در اطراف خود به عنوان غشای محافظ قرار دهند. این غشا دارای یک لایه لیپید بیرونی است که پاکت ویروسی نام دارد.

این غشای خارجی با پروتئین‌هایی پوشیده شده که بوسیله ژنوم ویروسی و ژنوم میزبان کد می‌شوند. در حالی که لیپید غشایی و تمام کربوهیدرات‌های موجود در آن از سلول‌ میزبان تهیه شده‌اند. پاکت ویروسی فوایدی برای ویرون دارای پاکت نسبت به ویرون بدون پاکت دارد به عنوان مثال، پاکت ویروسی، از ویرون در برابر آنزیم‌ها و ترکیبات شیمیایی محافظت می‌کند.

پروتئین‌هایی که روی پاکت ویروسی قرار دارند شامل گیلکوپروتئین‌ها هستند که به عنوان گیرنده‌های مولکولی عمل کرده و باعث می‌شوند که سلول‌های سالم، ویرون‌ها را به عنوان سلول بیگانه تلقی نکنند و همین امر موجب جذب آسان ویرون‌ها به درون سلول می‌شود. باید در نظر داشت که برخی از ویروس‌ها بسیار وابسته به پاکت ویروسی هستند به طوری که اگر پاکت ویروسی از آن‌ها جدا شود، تمام عملکردهای ویروس از بین می‌رود. تمام ویروس‌ها مانند ویروس‌های مارپیچی و چند وجهی می‌توانند دارای پاکت یا پوشش ویروسی باشند.

ویروس‌های پیچیده :

ویروس‌های پیچیده  کپسیدی دارند که نه کاملا مارپیچ و نه کاملا بیست وجهی است، بلکه ممکن است دارای ساختارهای اضافه‌ای مانند دم‌های پروتئینی یا کمپلکس‌های دیواره خارجی باشند. باکتریوفاژها ساختمان پیچیده دارند که شامل یک سر بیست وجهی است که به یک دم مارپیچی توسط یک پروتئین طوقی و یک صفحه پایه‌ای شش ضلعی همراه با فیبرهای پروتئین‌های دمی که از آن بیرون زده‌اند، متصل شده است.

ویروس آبله ویروس بزرگ و پیچیده‌ای است که یک ساختار ظاهری غیر عادی دارد. ژنوم ویروسی آن همراه با پروتئین‌های آن درون یک ساختار دیسکی شکل به نام نوکلئوید قرار گرفته‌اند. این نوکلئوید با غشا و دو جسم کناری با عملکردی ناشناخته، آن را احاطه کرده‌اند. پاکت خارجی ویروس با لایه ضخیمی از پروتئین‌های سطحی پوشیده شده است. ساختمان کلی ویروس ساختاری چند شکلی دارد و اشکال تخم مرغی تا هرمی در آن دیده می‌شوند.

اندازه ویروس:

ویروس‌هایی که تاکنون مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، قطرهایی بین 10 تا 400 نانومتر دارند. برای که بتوانید تصور کنید اندازه آن‌ها چقدر است، یک ویروس با اندازه متوسط در کنار حشره کک تقریباً برابر با اندازه انسان در کنار کوهی دو برابر کوه اورست است.

بیشتر ویروس‌ها با میکروسکوپ نوری قابل مشاهده نیستند، بزرگترین آن‌ها تقریباً به اندازه کوچکترین باکتری‌ها هستند. هر دو میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و عبوری (TEM) معمولاً برای تصویر برداری و مشاهده ذرات ویروسی به کار می‌روند.

طبقه‌بندی ویروس‌ها

در تاکسونومی، طبقه‌بندی ویروس‌ها به دلیل فقدان سوابق فسیلی و اختلاف نظر در مورد این که آن‌ها موجودات زنده هستند یا غیر زنده، بسیار مشکل است. آن‌ها به راحتی در هیچ یک از حوزه‌های طبقه‌بندی زیستی قرار نمی‌گیرند و بنابراین طبقه‌بندی ویروس‌ها از سطح خانواده آغاز می‌شود.

برای حوزه‌ای که بتوان ویروس‌ها را در آن قرار داد نام Acytota پیشنهاد شده است Acytota. به معنی ساختارهای فاقد سلول است. قرار دادن ویروسٰ‌ها در یک حوزه جداگانه بین سایر موجودات دارای حوزه مانند آرکی‌هاو یوباکترها  و یوکاریوت‌ها برای مطالعه بهتر آن‌ها مفید واقع می‌شود.

لازم به ذکر است که در حال حاضر هنوز همه‌ خانواده‌های ویروسی در رده‌ها و همه جنس‌های ویروسی در خانواده‌ها طبقه‌بندی نمی‌شوند. برخی ویروس‌های گیاهی هنوز در هیچ خانواده ویروسی قرار نگرفته‌اند. به عنوان نمونه، ویروس آبله مرغان در رده‌بندی ویروسی به صورت زیر می‌توان طبقه‌بندی کرد: این ویروس متعلق به خانواده Herpesviridae، زیر خانواده Alphaherpesvirinae و جنس Varicellovirus است.

ساختار کلی طبقه بندی ویروس ها :

ساختار کلی طبقه‌بندی به شرح زیر است.

• رده (virales)
  • خانواده (viridae)
    • زیر خانواده (virinae)
      • جنس (virus)
        • گونه‌ها (virus)

کمیته بین‌المللی طبقه‌بندی ویروس‌ها، سیستم طبقه‌بندی فعلی را توسعه داده و دستورالعمل‌هایی را ارائه داده است که برای حفظ یکنواختی خانواده، به ویژگی‌های خاص ویروس‌ها توجه شود.

به همین منظور، تاکسون‌شناسان باید برای طبقه‌بندی ویروس‌ها موردی مانند نوع اسید نوکلئیک موجود و تعداد رشته‌های آن (اسید نوکلئیک می‌تواند تک رشته‌ای یا دو رشته‌ای باشد) و وجود یا عدم وجود یک پوشش ویروس (پوششی لیپوپروتئینی که بعضی اوقات نوکلوکپسید را احاطه می‌کند) را در نظر بگیرند. پس از این سه ویژگی اصلی، می‌توان ویژگی‌های دیگری را برای طبقه‌بندی ویروس‌ها در نظر گرفت که از جمله می‌توان به نوع میزبان، شکل کپسید، ویژگی‌های ایمنی و نوع بیماری که ایجاد می‌کنند، اشاره کرد.

زندگی ویروس‌ها

بحث درباره اینکه ویروس‌ها واقعاً زنده هستند یا نه همچنان ادامه دارد. در حالی که دانشمندان مشکلی برای طبقه‌بندی یک اسب به عنوان موجود زنده ندارند و می‌توانند روابط تکاملی بین آن و سایر حیوانات را مشاهده کنند، اما وقتی آن‌ها به بررسی چیزهای ساده‌تر مانند ویروس‌ها، ویروئیدها و پریون‌ها می‌پردازند، اوضاع پیچیده‌تر می‌شود.

ویروس‌ها به دلیل اینکه می‌توانند تولید مثل کنند، به موجودات زنده شبیه بوده و دارای نوکلئیک اسید هستند و همچنین می‌توانند به تغییرات شرایط محیط زیست خود به روشی محدود پاسخ دهند. با این حال، بر خلاف سایر اشکال ثابت موجودات زنده، آن‌ها ساختار سلولی (به عنوان واحد اساسی سازنده هر موجود زنده) ندارند.

از طرفی دیگر ویروس‌ها فاقد سابقه فسیلی هستند و همین امر باعث می‌شود که بررسی روابط فیلوژنتیک‌ یا درخت تکاملی آن‌ها با مشکلاتی مواجه شود. علاوه بر موارد گفته شده باید این مورد را نیز مد نظر داشت که اگرچه ویروس‌ها قادر به تولید مثل هستند اما آن‌ها این کار را بدون استفاده از یک سلول دیگر به عنوان میزبان نمی‌توانند انجام دهند، بنابراین ویروس‌ها برای ادامه زندگی و سنتز و تولید پروتئین‌ها و سایر عواملی که برای تولید مثل لازم دارند، نیازمند سلول‌های دیگر هستند.

سؤالات دیگری که در این مورد مطرح است شامل طبقه‌بندی ویروس‌ها در درخت تکاملی و پیامدهای آن است. اگر ویروس‌ها به عنوان موجودات زنده تلقی شوند، معیارهای تعیین کننده یک موجود زنده نیز تغییر می‌کند و این سوال مطرح می‌شود که واقعا پیش نیازهای اصلی برای تعیین زنده بودن یک موجود چیست؟ آیا ذرات عفونی دیگر، مانند ویروئیدها و پریون‌ها را به عنوان اشکالی از موجودات زنده می‌توان در نظر گرفت؟ اگر ویروس‌ها به عنوان موجودات زنده در نظر گرفته شوند، کاملا منطقی به نظر می‌رسد که جواب مثبت باشد.

روش های انتقال

برای ایجاد عفونت، ویروس باید با سلول‌های حساس و مستعد عفونت میزبان در تماس باشد. چندین پورتال ورودی مختلف وجود دارد که توسط ویروس های مختلف استفاده می شود که در شکل زیر به صورت کلی نشان داده شده است. بیشتر ویروس‌ها با سلول‌های اپیتلیوم میزبان، لایه‌های سلولی که سطح بیرونی و حفره‌های داخلی بدن را پوشانده‌اند، تعامل دارند. اپیتلیوم به عنوان مانع اصلی بین دنیای بیرون و محیط داخلی بدن عمل می کند. اپیتلیوم مخاطی که به این دلیل نامیده می شود که اپیتلیوم در یک لایه محافظ مخاطی پوشیده شده است، تمام سطوح داخلی بدن از جمله دستگاه تنفسی، دستگاه گوارش و دستگاه تناسلی را می پوشاند. ویروس ها از طریق نفوذ به پوست، مانند نیش حشره یا حیوان، یا از طریق پیوند عضو آلوده به ویروس، به نقاط داخلی منتقل می شوند. چندین ویروس نیز می توانند از جفت به جنین عبور کنند یا در حین یا پس از تولد به کودک منتقل شوند.

تعدادی مسیر (یا حالت‌های) مختلف وجود دارد که از طریق آن‌ها انتقال می‌تواند رخ دهد، که بر اساس فاکتورهای میزبان ، محیط و عامل ویروسی بستگی دارد. این انتقال می تواند به واسطه ی تماس مستقیم، تماس غیر مستقیم یا از طریق قطره و آئروسل صورت بگیرد .

مجاری تنفسی رایج ترین راه ورود است . مجاری  تنفسی یک سیستم لوله ای است که امکان تبادل گاز بین بدن و محیط خارج را فراهم می کند . سطوح مخاطی دستگاه تنفسی ، سطح بسیار بزرگی است که ویروس ها با آن می توانند تعامل داشته باشند. ویروس‌های تنفسی زمانی بین افراد منتقل می‌شوند که ویروس از مجرای تنفسی فرد مبتلا آزاد شود و از طریق محیط منتقل شود و منجر به عفونت دستگاه تنفسی فرد در معرض و مستعد شود.

سوالات متداول