ساختار کپسید و پوشش ویروسی

کپسید، پوسته پروتئینی است که ژنوم ویروس را در بر گرفته و از آن محافظت می‌کند، و در بسیاری از ویروس‌ها توسط یک پوشش لیپیدی اضافی که از غشاهای سلول میزبان به دست می‌آید، احاطه شده است. کپسید، ژنومی که در خود دارد (نوکلئوکپسید)، و هرگونه پوشش و پروتئین‌های سطحی، با هم معماری ذره ویروسی را تعریف می‌کنند و تعیین می‌کنند که چگونه در محیط زنده می‌ماند، به سلول‌ها متصل می‌شود، و توسط سیستم ایمنی شناسایی می‌شود.

Definition

کپسید، پوسته پروتئینی است که از تعداد زیادی نسخه از یک یا چند زیرواحد پروتئینی مونتاژ شده و ژنوم ویروسی را در بر می‌گیرد؛ پوشش، در صورت وجود، یک لایه دوتایی لیپیدی مشتق شده از میزبان است که کپسید را احاطه کرده و پروتئین‌های سطحی کدگذاری شده توسط ویروس را حمل می‌کند.

Scope

این مدخل به بلوک‌های سازنده پروتئینی کپسیدها (زیرواحدها و کپسومرها)، تقارن‌های هلیکال و ایکوزاهدرال که آنها اتخاذ می‌کنند، اصل شبه‌هم‌ارزی که ساختار کپسید را توضیح می‌دهد، و ساختار و منشأ پوشش لیپیدی با گلیکوپروتئین‌های تعبیه‌شده در آن می‌پردازد. این یک مرجع ساختاری است و به مدیریت بالینی نمی‌پردازد.

Core questions

• کپسیدها چگونه از تعداد محدودی زیرواحد پروتئینی مونتاژ می‌شوند؟
• چرا کپسیدها تقارن هلیکال یا ایکوزاهدرال را اتخاذ می‌کنند؟
• شبه‌هم‌ارزی چیست و چه چیزی را پیش‌بینی می‌کند؟
• ویروس‌ها چگونه یک پوشش لیپیدی به دست می‌آورند و چه چیزی در آن وجود دارد؟
• کپسید و پوشش چگونه به پایداری و ورود ذره کمک می‌کنند؟

Key concepts

• زیرواحد کپسید (پروتومر) و کپسومر
• تقارن هلیکال
• تقارن ایکوزاهدرال و عدد مثلث‌بندی
• شبه‌هم‌ارزی
• نوکلئوکپسید
• پوشش لیپیدی
• گلیکوپروتئین‌های پوششی (اسپایک/پپلومر)
• ذرات برهنه (بدون پوشش) در مقابل ذرات پوشش‌دار

Key theories

نظریه شبه‌هم‌ارزی (کاسپار-کلوگ)

کاسپار و کلوگ استدلال کردند که صرفه‌جویی ژنتیکی ایجاب می‌کند که کپسیدها از تعداد زیادی نسخه از چند زیرواحد پروتئینی که در محیط‌های شبه‌هم‌ارز پیوند خورده‌اند، ساخته شوند و پوسته‌های ایکوزاهدرال را که با اعداد مثلث‌بندی توصیف می‌شوند، پیش‌بینی کردند.

اصل صرفه‌جویی ژنتیکی در ساخت کپسید

کریک و واتسون استدلال کردند که یک ژنوم ویروسی کوچک نمی‌تواند یک پوسته منحصر به فرد بزرگ را کدگذاری کند، بنابراین کپسیدها باید از زیرواحدهای یکسان تکراری که با تقارن چیده شده‌اند، مونتاژ شوند، پیش‌بینی‌ای که توسط مطالعات ساختاری بعدی تأیید شد.

Mechanisms

از آنجا که ژنوم‌های ویروسی کوچک هستند، کپسیدها از تعداد زیادی نسخه از یک یا چند زیرواحد پروتئینی به جای پروتئین‌های منحصر به فرد متعدد مونتاژ می‌شوند. زیرواحدهای تکراری به صورت خودبه‌خودی در آرایش‌های متقارن مونتاژ می‌شوند: کپسیدهای هلیکال، پروتئین را به دور اسید نوکلئیک به صورت یک میله یا رشته می‌پیچند، در حالی که کپسیدهای ایکوزاهدرال، پوسته‌های بسته‌ای را تشکیل می‌دهند که هندسه آنها توسط شبه‌هم‌ارزی و عدد مثلث‌بندی کاسپار و کلوگ توضیح داده شده است. بسیاری از ویروس‌ها علاوه بر این از طریق یک غشای میزبان جوانه می‌زنند، نوکلئوکپسید را در یک پوشش لیپیدی می‌پیچند که گلیکوپروتئین‌های کدگذاری شده توسط ویروس در آن وارد می‌شوند؛ این پروتئین‌های سطحی واسطه اتصال و در ویروس‌های پوشش‌دار، ادغام غشایی هستند. کپسید و پوشش با هم پایداری محیطی را کنترل می‌کنند، به طوری که ذرات بدون پوشش معمولاً در برابر خشک شدن و مواد شوینده مقاوم‌تر از ذرات پوشش‌دار هستند.

Clinical relevance

ساختار کپسید و پوشش زیربنای نحوه شناسایی ویروس‌ها، نحوه عملکرد پروتئین‌های سطحی به عنوان آنتی‌ژن‌های واکسن، و دلیل تفاوت ویروس‌های پوشش‌دار و بدون پوشش در مقاومت محیطی است. این مدخل اصول ساختاری را برای مرجع توصیف می‌کند و توصیه‌های تشخیصی یا درمانی ارائه نمی‌دهد.

History

در سال 1956، کریک و واتسون پیش‌بینی کردند که ویروس‌های کوچک باید از تعداد زیادی زیرواحد پروتئینی یکسان که به صورت متقارن چیده شده‌اند، ساخته شوند، که معماری منظمی را که بعدها با پراش اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی مشاهده شد، پیش‌بینی می‌کرد. نظریه شبه‌هم‌ارزی کاسپار و کلوگ در سال 1962 این موضوع را برای توضیح کپسیدهای ایکوزاهدرال با اندازه‌های مختلف تعمیم داد، و مطالعات ساختاری با وضوح بالا بعدی، که توسط هریسون بررسی شد، معماری کپسید را با جزئیات اتمی آشکار کرد.

Key figures

• Donald Caspar
• Aaron Klug
• Francis Crick
• James Watson
• Stephen Harrison

Seminal works

• crick-watson-1956
• caspar-klug-1962
• harrison-1983

Frequently asked questions

چرا بسیاری از ویروس‌ها ایکوزاهدرال هستند؟

تقارن ایکوزاهدرال اجازه می‌دهد تا یک پوسته بسته از تعداد زیادی نسخه از تعداد کمی زیرواحد پروتئینی ساخته شود، که از نظر ژنتیکی برای ویروس‌هایی با ظرفیت کدگذاری محدود مقرون به صرفه است؛ نظریه شبه‌هم‌ارزی کاسپار و کلوگ توضیح می‌دهد که چگونه زیرواحدها در چنین پوسته‌هایی بسته‌بندی می‌شوند.

تفاوت بین کپسید و پوشش چیست؟

کپسید یک پوسته پروتئینی است که توسط ویروس کدگذاری شده و مستقیماً ژنوم را در بر می‌گیرد، در حالی که پوشش یک لایه دوتایی لیپیدی است که از غشاهای سلول میزبان مشتق شده، در طول جوانه زدن به دست می‌آید و با پروتئین‌های سطحی ویروسی پوشیده شده است؛ همه ویروس‌ها پوشش ندارند.