Capsid

Skjema for et ikosahedrisk kapsid (kulene tilsvarer de enkelte kapsomerer)

Som kapsid eller kapsid (fra latinsk kapsel er referert til, på tysk, liten kapsel ') ved viruskompleks , vanlig struktur av proteiner (kapsidproteiner, engelsk viral kappeprotein, kun kapsidprotein VCP eller CP), emballasjen til virusgenomet blir brukt. En kapsid består av et fast antall proteinunderenheter, capsomeres . Når det gjelder ikke-innhyllede virus, danner kapsiden virusets ytterste struktur og er derfor ansvarlig for feste og penetrasjon i vertscellen ; Når det gjelder innhyllede virus, interagerer kapsiden med den ytre virushylsen (en. Strøk , inneholder lipider ) og gir den ofte den nødvendige stabiliteten.

Ordningen av proteinene i et kapsid er basert på forskjellige symmetrier og er veldig mangfoldig. Disse forskjellige strukturene og symmetriene til kapsider har i sin tur innvirkning på de biologiske egenskapene som patogenisitet , typen virusreplikasjon og miljøstabilitet. Strukturen til kapsiden fungerer også som et kriterium for å klassifisere virus innenfor virustaksonomien .

oppdagelse

I 1956 konkluderte Francis Crick og James Watson med at emballasjen til nukleinsyren til virus må bestå av mange identiske, nødvendigvis symmetrisk ordnede underenheter, siden nukleinsyrene til små virus ikke kan kode nok protein til å dekke seg over. Den genetiske informasjonen må derfor brukes flere ganger gjennom mange kopier av identiske proteiner. Samme år fant Donald Caspar den femdoble symmetrien til icosahedronen på en krystall laget av partikler av Tomat-Bushy-Stunt-Virus ved hjelp av røntgenkrystallografi .

Capsomer

Den capsomer (pl. Capsomer ) er den minste vanlig enhet fra hvilken et kapsid er bygget og som bestemmer dens symmetri. I det enkleste tilfellet består et kapsid av identiske kapsomerer, som igjen bare består av ett proteinmolekyl. Svært ofte består imidlertid en capsomer av to til fem forskjellige proteiner som kombineres for å danne et vanlig kapsid. Kapsiden kan også være sammensatt av forskjellige capsomerer, f.eks. B. Adenovirus består av to forskjellige capsomerer (pentoner og heksoner), som igjen består av forskjellige virusproteiner.

Vanlige navn på kapsidproteinene er: hovedkapsidprotein (en. Major kapsidprotein , MCP), mindre kapsidprotein (en. Mindre kapsidprotein , mCP), virus CP (VCP) eller (opptil fem) proteiner er nummerert VP1, VP2 osv.

De enkelte underenhetene som en capsomer kan bygges fra, blir noen ganger også referert til som protomerer .

Gitt en gitt genomssekvens av et virus, kan de proteinene som danner capsomeren gjenkjennes veldig lett, da de inneholder en høy konsentrasjon av positivt ladede eller basiske aminosyrer ( arginin , lysin , histidin ) i visse seksjoner . Disse grunnleggende proteindomenene til kapsidproteinene (kjerneproteiner) er nødvendige for ikke- kovalent binding til den negativt ladede virale nukleinsyren som skal pakkes.

Symmetri skjemaer

Icosahedral symmetri

Den vanligste symmetrien til et kapsid er en vanlig icosahedron (tjue overflater), da dette har det største volumet av alle vanlige polyedere for en gitt kantlengde. Kantlengden bestemmes av størrelsen på capsomeresene og antallet. Når du viser virioner i elektronmikroskopet (EM) eller ved hjelp av røntgenstrukturanalyse , tilsvarer utseendet til mange viruscapsider, dvs. den ytre formen, ikke en icosahedron, men er for det meste sfærisk, noen ganger med utstikkende proteinløkker ( Engelske pigger ). Men hvis de samme molekylære posisjonene til capsomeresene er koblet til hverandre, blir det funnet et icosahedral arrangement av capsomeresene. Det er derfor viktig å skille mellom begrepet symmetri til kapsid og form ( morfologi ) til kapsid . Når det gjelder noen virus, kan den indre symmetrien til en icosahedron også gjenkjennes umiddelbart av dens ytre form, f.eks. B. hos medlemmer av familien Adenoviridae eller noen bakteriofager .

De fleste virale kapsider med ikosahedrisk symmetri er isometriske ; H. alle sidekantene av icosahedronen har samme lengde, noe som tilsvarer den ideelle formen til en matematisk icosahedron . Det er noen avvikende eksempler på dette, f.eks. B. i familiene Myoviridae (med T4-fagen ) og Siphoviridae . Den tilsynelatende langstrakte kapsiden er derfor ikke lenger en ikosaeder i geometrisk forstand, men en femkantet, bipyramidal antiprisme . Ytterligere avvik med et utmerket hjørne kan bli funnet i familien Mimiviridae ( Mimivirus : Stargate) og Phycodnaviridae ( Chlorovirus : Vortex med torn). Imidlertid snakker virologer om disse skjemaene som en ikke-isometrisk icosahedron.

Virion- modell av Geminiviridae , Geminialphasatellitinae og Tolecusatellitidae

Et annet spesielt tilfelle er "tvillingvirusene" Geminiviridae (og deres satellitter Geminialphasatellitinae og Tolecusatellitidae ) med to icosahedra " limt sammen". Disse satellittene “låne” kapsid komponenter fra Geminiviridae (deres hjelpe virus ), noe som forklarer den matchende morfologi.

Akser av symmetri

Icosahedron Animation.gif

Strukturen til icosahedronen er preget av tre typer symmetriakser , som viser en rotasjonssymmetri : gjennom motsatte sidekanter løper en symmetriakse med tostrålet (180 °) symmetri, gjennom motsatt side vender en trestrålet (120 ° ) og gjennom motsatte hjørner en femstrålet (72 °). Capsomeres eller deres arrangement på icosahedronen har de tilsvarende symmetriene. For eksempel kan et kapsid konstrueres fra kapsomerer med trepunkts- eller fempunktssymmetri; Ofte dannes capsomeren i et kapsid også forskjellige symmetrier avhengig av deres posisjon, siden de vanligvis består av to, tre eller fem identiske proteinunderenheter. Arrangementet av capsomeres til en viss rotasjonssymmetri dikteres ikke nødvendigvis av proteinenes struktur. Med noen viruskapsler er det også forskjellige muligheter for å ordne dem til å danne en icosahedron, noe som gjenspeiles i dannelsen av forskjellige viruspartikler med litt forskjellige diametre i samme virus. De kapsider naturlige virioner av den hepatitt B-virus består hovedsakelig av 180 kapsomerer (T = 3, se nedenfor), omtrent 20% av kapsider, men på 240 kapsomerer (T = 4). Den biologiske betydningen av forskjellige kapsidsymmetrier i samme virus er ennå ikke avklart.

Triangulasjonsnummer

Tre asymmetriske, men identiske objekter danner en tredelt rotasjonssymmetri.
Felix som kapsid med trianguleringsnummeret T = 1

I 1962 introduserte Donald Caspar og Aaron Klug en geometrisk indeks, det såkalte triangulasjonstallet (T), for å beskrive en icosahedral kapsid mer presist . Den kan brukes til å beskrive størrelsen og kompleksiteten til et kapsid.
Ved å samle tre identiske molekyler av et hvilket som helst uregelmessig, ikke-symmetrisk protein, kan en ligesidig (tre ganger rotasjonssymmetrisk ) trekant dannes. Dette arrangementet er den minste mulige symmetriske enheten for dannelsen av et icosahedral kapsid. Siden en slik vanlig trekant består av minst tre underenheter og en icosahedron består av tjue slike vanlige trekanter, er minst 3 * 20 = 60 slike underenheter nødvendige for å danne den enkleste ikosaedriske symmetrien. Dette minimumstallet på 60 er beskrevet av trianguleringstallet T = 1. Større og mer komplekse kapsider har bare heltallsmultipler på 60, ​​f.eks. B. ofte 180 (T = 3), 240 (T = 4), 960 (T = 16). I kapsider med T> 1 oppstår såkalte pseudo-6 symmetrier, der pentoner og heksoner oppstår. Det respektive antall heksoner mellom to pentoner resulterer i trianguleringstallene h og k. Antall heksoner i en rett linje fra en penton til den neste = h. Antall heksoner etter å ha laget en "kink" i den direkte linjen til neste penton = k. De geometrisk mulige trianguleringstallene resulterer da fra formelen T = h² + hk + k², hvor h og k er hele tall.

Helical symmetri

I noen virus er capsomerer arrangert på en spiralformet måte for å danne en spiralformet kvartær struktur rundt nukleinsyren som skal pakkes; ved å gjøre det, danner de en langstrakt sylinderform på utsiden . Diameteren til et spiralformet kapsid bestemmes av størrelsen på capsomeresene, lengden på sylinderen er direkte avhengig av lengden på nukleinsyren som skal pakkes.

  • Tobaksmosaikkvirus spiralformede kapsider

  • Skjema for en spiralformet kapsid

  • Flere ringformede, spiralformede kapsider (blå) i arenavirus

Ikke-innkapslede (nakne) heliske kapsider finnes bare i enkelte plantevirus (f.eks tobakkmosaikkvirus , Lily mottle virus ) og bakteriofager (familie Inoviridae ), mens virus med en omhyllet spiralformede kapsid er utbredt i dyr. Viktige patogener med en spiralformet kapsid er, for eksempel, influensa virus , den Paramyxoviridae (for eksempel kusmavirus og meslingvirus ), den Bunyaviridae eller Rhabdoviridae (for eksempel den rabiesvirus ). Virusslekten Torovirus har en spesiell form for spiralformet symmetri . Her danner et langstrakt spiralformet kapsid en lukket ring med den geometriske formen på en torus .

Kompleks eller ingen symmetri

Kompleks, konisk kapsid i HIV- 1

Noen kapsider har verken en klar ikosaeder eller spiralformet symmetri, til tross for den vanlige strukturen i formen. Dette er spesielt tydelig hos medlemmer av Poxviridae- familien (koppevirus). Derfor kalles symmetrien til disse virusene "kompleks" .

De koniske (koniske) nukleokapsidene i retrovirus , z. HIV-1. Kjerneproteinet til dette viruset kan danne rør med spiralformet symmetri in vitro , men det kan også anta den naturlige formen på det koniske, lukkede røret. Dette viser at dette kapsiden består av et nettverk av sekskanter, som blir avbrutt av 12 nettmasker med et femkantet arrangement (markert med grønt på figuren). Av de tolv femkantede hullene er syv i det brede og fem i den smale enden av kjeglen. Denne nettsymmetrien følger således en matematisk teorem om Leonhard Euler , ifølge hvilken en lukket overflate som skal dekkes av sekskanter alltid har minst tolv femkantede hull ( Eulers polyhedretning ). Dette veldig variable vinkelforholdet mellom capsomeresene til hverandre og stedene med mindre stabilitet skapt av femkantene gjør det sannsynligvis mulig for retrovirusgenomet å frigjøres i cellekjernen i utgangspunktet.

I tillegg er det virus som ingen klar kapsidform kunne påvises. Imidlertid har disse virusene proteiner med de grunnleggende proteindomenene beskrevet ovenfor, som formidler mellom nukleinsyren og virushylsteret og er for det meste forankret fra innsiden i virushylsen. Med denne forankringen i skallet er de relatert til de såkalte matriksproteinene som i andre virus (f.eks. Herpesviridae og Paramyxoviridae ), i tillegg til et kapsid, linjer skallet fra innsiden; Strengt tatt skal man ikke snakke om kapsid. Av historiske årsaker blir disse proteinene vanligvis referert til som kjerneproteiner . De mest kjente eksemplene på dette er hepatitt C-virus og bovint viral diarévirus BVDV .

Capsid og nucleocapsid

Begrepene kapsid og nukleokapsid brukes ofte feil synonymt. Bare et kapsid som er direkte assosiert med nukleinsyren er også et nukleokapsid. Det er virus (f.eks. Humant immunsviktvirus ) der det er et sekund inne i en ytre kapsid; her er bare denne innerste referert til som nukleokapsiden (eller kjernen ). Inne i en kapsid kan nukleinsyren også assosieres med basiske proteiner (f.eks. Cellulære histoner ) eller være kovalent bundet til proteiner . I dette tilfellet snakker man om et nukleoproteinkompleks .

Mange innhyllede virus som koronavirus har også et nukleokapsidprotein som ligger helt inne i virushylsteret i den funksjonelle virionen ( viruslegemet ) .

spesielle tilfeller

Individuelt pakket genom-segmenter

Noen virus med et segmentert genom pakker de enkelte delene i et enkelt kapsid, mens andre danner et eget kapsid for hvert segment. I sistnevnte tilfelle er det en egen type viruspartikkel for hvert segment (differensiert av det genomiske innholdet); viruset kan bare utvikle sin fulle funksjonalitet i vertscellen når den er infisert med viruspartikler av hvilken som helst type og virusgenomet er komplett (eksempel Nanoviridae ).

Capsid-moduler fra hjelperviruset

Noen satellittvirus , som Sarthroviridae og Deltavirus , "stjeler" kapsidkomponenter fra deres hjelpervirus .

Capsidless Virus

Noen veldig primitive virus mangler CP, slik at de uten kapsider ikke kan bygge opp virkelige virioner (viruspartikler). Eksempler er Endornaviridae , Narnaviridae , Mitoviridae og noen Botourmiaviridae .

Energisk vurdering av kapsidannelsen

Capsids kan dannes spontant og uten energiforbruk i en celle eller eksperimentelt som en renset proteinløsning av capsomerer; Dette kalles ofte henholdsvis selvmontering (Engl. Selvmontering ). For første gang kunne den spontane kapsidannelsen observeres i tobakksmosaikkviruset ; in vitro var dette også senere vellykket med dyrevirus som B. alfavirusene .

Når det gjelder et stort antall virus, lyktes imidlertid ikke denne kapsidannelsen in vitro . Det ble funnet at celleproteiner (såkalte chaperones ) noen ganger er nødvendige for at capsomerer skal monteres og for korrekt folding, eller at en assosiasjon med nukleinsyre fører til kapsidannelse.

Basert på det faktum at kapsidannelse kan forekomme spontant og symosetikken til icosahedronen forekommer spesielt ofte, ble det tidligere antatt at kapsidstrukturen var den energisk mest gunstige tilstanden for kapsomerene. Faktisk viser nylige studier at kapsider tilsvarer mer en metastabil energetisk tilstand. Dette vil også delvis forklare hvorfor kapsider aggregerer i utgangspunktet når viruset frigjøres fra cellen, mens når viruset kommer inn i cellen, oppløses de samme kapsidene spontant igjen for å frigjøre den virale nukleinsyren. Det energisk mest ustabile og begrensende trinnet for selvmontering av et icosahedral capsid ser ut til å være innlemmelsen av de siste capsomeresene for fullføring. Denne metastabile tilstanden favoriseres også av det faktum at en kapsid bare får sin stabilitet fra meget svake interaksjoner mellom kapsomerene.

Etter montering fosforyleres noen kapsider på utsiden eller innsiden (f.eks. Med kapsiden til hepatitt B-viruset ) av pakket ATP og fosfokinaser , og i noen tilfeller også glykosylert av cellulære enzymer ; disse modifikasjonene ser også ut til å påvirke kapsidens stabilitet eller ønsket ustabilitet.

Et spesielt trekk ved noen ikke-innhyllede virus eller in vitro- syntetiserte kapsider av innhyllede virus er evnen til å krystallisere . Denne observasjonen førte til diskusjoner på 1940-tallet om tildeling av virus til livsformer, siden ellers bare livløse stoffer viser egenskapen til krystalldannelse. Krystalliserte kapsider er essensielle for å studere virusstruktur gjennom røntgenstrukturanalyse .

Biologisk betydning av kapsider

I tillegg til å beskytte virusgenomet fra DNA- og RNA-spaltende enzymer ( nukleaser ) og forme innhyllede virus, har kapsider noen spesielle biologiske funksjoner og egenskaper:

  • I tilfelle av ikke-innhyllede virus danner kapsiden overflaten av en virion. Som et resultat blir det direkte utsatt for angrep fra immunsystemet og fungerer som et antigen . I virusene, de overflate epitoper ofte endres og således unnslippe vertens immunsystem, noe som bare er mulig i meget begrenset utstrekning i tilfelle av nakne kapsider, ettersom en rekke endringer i kapsidproteiner kan også føre til et tap av stabilitet eller en svekkelse av selvmontering . Ikke-innhyllede virus er derfor vanligvis mindre variable i overflateepitopene enn innhyllede virus.
  • Siden regelmessig ordnede proteiner representerer et mye sterkere antigen enn uregelmessig ordnede proteiner, er kapsider spesielt egnet som et materiale for vaksinasjoner .
  • Kapsiden av ikke-innhyllede virus medierer også bindingen til reseptorene til målcellen for å initiere innføring i cellen. Med noen kappe DNA-virus, en spesiell transport av kapsidet til den atom porene sikrer at virusgenomet trenger inn i cellekjernen.
  • På grunn av kapasiteten til kapsider å tjene som transportvektorer for nukleinsyrer i celler , er kapsider generert in vitro , såkalte viruslignende partikler (VLP), av spesiell interesse for genteknologi og genterapi .

hovne opp

litteratur

  • D. M. Knipe, P. M. Howley (red.): Fields 'Virology. 5. utgave. 2 bind, Philadelphia 2007, ISBN 978-0-7817-6060-7 .
  • S. J. Flint, L. W. Enquist, V. R. Racaniello, A. M. Skalka: Principles of Virology. Molekylærbiologi, patogenese og kontroll av dyrevirus. 2. utgave. ASM-Press, Washington DC 2004, ISBN 1-55581-259-7 .
  • A. J. Cann: Prinsipper for molekylær virologi. 3. Utgave. Academic Press, 2001, ISBN 0-12-158533-6 .
  • A. Granoff, R. G. Webster (red.): Encyclopedia of Virology . (Volum 1-3). San Diego 1999, ISBN 0-12-227030-4 .
  • R. H. Cheng, T. Miyamura (red.): Strukturbasert studie av viral replikasjon . Singapore 2008, ISBN 978-981-270-405-4 .
  • Roya Zandi, David Reguera et al .: Opprinnelse til icosahedral symmetri i virus. PNAS (2004) 101 (44): s. 15556-15560. PMID 15486087

Individuelle bevis

  1. ^ Francis Crick , James Watson : Struktur av små virus. Nature (1956) 177: s. 473-475. PMID 13309339
  2. ↑ David LD Caspar: Struktur av busket stuntvirus. Nature, 1956, doi: 10.1038 / 177475a0 .
  3. ↑ M. Newman, F. & nbsp: M. Suk, M. Cajimat, P. K. Chua, C. Shih: Sammenligning av stabilitet og morfologi av selvmonterte viruslignende partikler fra villtype og mutant humant hepatitt B-virus kapsidproteiner. Journal of Virology. (2003) 77 (24): s. 12950-12960. PMID 14645551
  4. ↑ Donald L.D. Caspar, Aaron Klug: Fysiske prinsipper i konstruksjon av vanlige virus . Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology XXVII, Cold Spring Harbor Laboratory, New York 1962, s. 1-24.
  5. ↑ B. K. Ganser, S. Li, Y. V. Klishko et al. : Montering og analyse av koniske modeller for HIV-1-kjernen. Science (1999) 283 (5398): s. 80-83. PMID 9872746
  6. ↑ Andrea Thorn, Nicole Dörfel, et al. RNA og nukleokapsel ( no ) coronavirus Structural Task Force ved Universitetet i Hamburg. Hentet 3. juli 2021. ( Den tilbudte tyske versjonen kan ikke anbefales, den har språklige svakheter )
  7. Hie E. Hiebert, J. B. Bancroft, C. E. Bracker: Montering in vitro av noen små sfæriske virus, hybridvirus og andre nukleoproteiner. Virology (1968) 3: 492-508. PMID 5651027
  8. ↑ J. R. Lingappa, R. L. Martin, M. L. Wong, D. Ganem, W. J. Welch, V. R. Lingappa: En eukaryot cytosolisk chaperonin er forbundet med en høy molekylvekt mellomprodukt ved sammenstillingen av hepatitt B virus kapsidet, en multimer partikkel. Journal of Cell Biology (1994) 125 (1): s. 99-111. PMID 7908022 En eukaryot cytosolisk kaperonin er assosiert med et mellomprodukt med høy molekylvekt ved montering av hepatitt B-viruscapsid, en multimer partikkel.
  9. ↑ Robijn F. Bruinsma, William M. Gelbart: Viral selv-sammenstillingen som en termodynamiske prosesser . Physical Review Letters (2003) 90 (24): s. 248101 (e-pub) PMID 12857229
  10. ↑ H. D. Nguyen, V. S. Reddy, C. L. III: Dechifrere den kinetiske mekanismen for spontan selvmontering av icosahedral capsids. Nano Lett. (2007) 7 (2): s. 338-344. PMID 17297998
  11. ↑ P. Ceres, A. Zlotnick: Svake protein-protein-interaksjoner er tilstrekkelig for å drive montering av hepatitt B-viruskapsler. Biokjemi (2002) 41 (39): s. 11525-11531. PMID 12269796
  12. Ja Nadja Thönes, Anna Herreiner, Lysann Schädlich, Konrad Piuko, Martin Müller: En direkte sammenligning av humant papillomavirus type 16 L1-partikler avslører en lavere immunogenisitet av kapsomere enn viruslignende partikler med hensyn til indusert antistoffrespons. J. Virol. (2008) 82 (11): s. 5472–5485 PMC 2395182 (fri fulltekst)

weblenker

Commons : Kapsid  - samling av bilder, videoer og lydfiler