โครงสร้างแคปซิดและเปลือกหุ้มของไวรัส

แคปซิดคือเปลือกโปรตีนที่ห่อหุ้มและปกป้องจีโนมของไวรัส และในไวรัสหลายชนิด แคปซิดจะถูกหุ้มด้วยเปลือกหุ้มไขมันเพิ่มเติมที่ได้มาจากเยื่อหุ้มเซลล์ของโฮสต์ แคปซิด จีโนมที่บรรจุอยู่ภายใน (นิวคลีโอแคปซิด) และเปลือกหุ้มรวมถึงโปรตีนบนพื้นผิว ล้วนกำหนดสถาปัตยกรรมของอนุภาคไวรัส และกำหนดว่าไวรัสจะอยู่รอดในสิ่งแวดล้อมได้อย่างไร เกาะติดกับเซลล์ได้อย่างไร และระบบภูมิคุ้มกันจดจำได้อย่างไร

Definition

แคปซิดคือเปลือกโปรตีนที่ประกอบขึ้นจากโปรตีนหน่วยย่อยจำนวนมากหรือเพียงไม่กี่ชนิด ซึ่งห่อหุ้มจีโนมของไวรัสไว้ ส่วนเปลือกหุ้ม (ถ้ามี) คือชั้นไขมันสองชั้นที่ได้มาจากโฮสต์ ซึ่งห่อหุ้มแคปซิดและมีโปรตีนบนพื้นผิวที่เข้ารหัสโดยไวรัส

Scope

บทความนี้ครอบคลุมถึงหน่วยย่อยของโปรตีนที่เป็นส่วนประกอบของแคปซิด (หน่วยย่อยและแคปโซเมียร์) สมมาตรแบบเกลียวและแบบทรงยี่สิบหน้า (icosahedral) ที่แคปซิดใช้ หลักการกึ่งสมมูล (quasi-equivalence) ที่อธิบายการสร้างแคปซิด รวมถึงโครงสร้างและที่มาของเปลือกหุ้มไขมันที่มีไกลโคโปรตีนฝังอยู่ บทความนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงโครงสร้างและไม่ได้กล่าวถึงการจัดการทางคลินิก

Core questions

• แคปซิดประกอบขึ้นจากโปรตีนหน่วยย่อยจำนวนจำกัดได้อย่างไร
• เหตุใดแคปซิดจึงมีสมมาตรแบบเกลียวหรือแบบทรงยี่สิบหน้า
• กึ่งสมมูลคืออะไร และคาดการณ์อะไรได้บ้าง
• ไวรัสได้รับเปลือกหุ้มไขมันได้อย่างไร และมีอะไรบ้าง
• แคปซิดและเปลือกหุ้มมีส่วนช่วยในการคงตัวและการเข้าสู่เซลล์ของอนุภาคได้อย่างไร

Key concepts

• หน่วยย่อยของแคปซิด (โปรโตเมอร์) และแคปโซเมียร์
• สมมาตรแบบเกลียว
• สมมาตรแบบทรงยี่สิบหน้าและเลขสามเหลี่ยม
• กึ่งสมมูล
• นิวคลีโอแคปซิด
• เปลือกหุ้มไขมัน
• ไกลโคโปรตีนของเปลือกหุ้ม (หนาม/เพปโลเมอร์)
• อนุภาคเปลือย (ไม่มีเปลือกหุ้ม) เทียบกับอนุภาคมีเปลือกหุ้ม

Key theories

ทฤษฎีกึ่งสมมูล (Caspar-Klug)

Caspar และ Klug ให้เหตุผลว่าความประหยัดทางพันธุกรรมกำหนดให้แคปซิดต้องสร้างขึ้นจากโปรตีนหน่วยย่อยจำนวนมากที่เชื่อมต่อกันในสภาพแวดล้อมกึ่งสมมูล ซึ่งคาดการณ์ถึงเปลือกหุ้มทรงยี่สิบหน้าที่อธิบายด้วยเลขสามเหลี่ยม

หลักการความประหยัดทางพันธุกรรมในการสร้างแคปซิด

Crick และ Watson ให้เหตุผลว่าจีโนมไวรัสขนาดเล็กไม่สามารถเข้ารหัสเปลือกหุ้มขนาดใหญ่ที่มีเอกลักษณ์ได้ ดังนั้นแคปซิดจึงต้องประกอบขึ้นจากหน่วยย่อยที่เหมือนกันซ้ำๆ ซึ่งจัดเรียงตัวอย่างสมมาตร ซึ่งเป็นการคาดการณ์ที่ได้รับการยืนยันจากการศึกษาโครงสร้างในภายหลัง

Mechanisms

เนื่องจากจีโนมของไวรัสมีขนาดเล็ก แคปซิดจึงประกอบขึ้นจากโปรตีนหน่วยย่อยจำนวนมากหรือเพียงไม่กี่ชนิด แทนที่จะเป็นโปรตีนเฉพาะหลายชนิด หน่วยย่อยที่ซ้ำกันจะประกอบตัวเองเป็นโครงสร้างสมมาตร: แคปซิดแบบเกลียวจะพันโปรตีนรอบกรดนิวคลีอิกในรูปแท่งหรือเส้นใย ในขณะที่แคปซิดแบบทรงยี่สิบหน้าจะสร้างเปลือกหุ้มปิดที่มีรูปทรงเรขาคณิตตามหลักการกึ่งสมมูลและเลขสามเหลี่ยมของ Caspar และ Klug ไวรัสหลายชนิดยังแตกหน่อผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ของโฮสต์ โดยห่อหุ้มนิวคลีโอแคปซิดด้วยเปลือกหุ้มไขมันซึ่งมีไกลโคโปรตีนที่เข้ารหัสโดยไวรัสแทรกอยู่ โปรตีนบนพื้นผิวเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการเกาะติด และในไวรัสมีเปลือกหุ้ม จะทำหน้าที่ในการรวมเยื่อหุ้มเซลล์ แคปซิดและเปลือกหุ้มร่วมกันควบคุมความเสถียรในสิ่งแวดล้อม โดยทั่วไปอนุภาคที่ไม่มีเปลือกหุ้มจะทนทานต่อการแห้งและการใช้สารซักฟอกได้ดีกว่าอนุภาคที่มีเปลือกหุ้ม

Clinical relevance

โครงสร้างของแคปซิดและเปลือกหุ้มเป็นพื้นฐานในการตรวจจับไวรัส วิธีที่โปรตีนบนพื้นผิวทำหน้าที่เป็นแอนติเจนของวัคซีน และเหตุใดไวรัสมีเปลือกหุ้มและไม่มีเปลือกหุ้มจึงมีความแตกต่างกันในด้านความทนทานต่อสิ่งแวดล้อม บทความนี้อธิบายหลักการเชิงโครงสร้างเพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิง และไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

ในปี 1956 Crick และ Watson ได้คาดการณ์ว่าไวรัสขนาดเล็กจะต้องสร้างขึ้นจากหน่วยย่อยของโปรตีนที่เหมือนกันหลายหน่วยซึ่งจัดเรียงตัวอย่างสมมาตร ซึ่งเป็นการคาดการณ์สถาปัตยกรรมที่เป็นระเบียบซึ่งต่อมาได้เห็นจากการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ทฤษฎีกึ่งสมมูลของ Caspar และ Klug ในปี 1962 ได้ขยายแนวคิดนี้เพื่ออธิบายแคปซิดแบบทรงยี่สิบหน้าที่มีขนาดแตกต่างกัน และการศึกษาโครงสร้างที่มีความละเอียดสูงในภายหลัง ซึ่งทบทวนโดย Harrison ได้เปิดเผยสถาปัตยกรรมของแคปซิดในรายละเอียดระดับอะตอม

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

เหตุใดไวรัสจำนวนมากจึงมีรูปร่างเป็นทรงยี่สิบหน้า

สมมาตรแบบทรงยี่สิบหน้าช่วยให้สามารถสร้างเปลือกหุ้มปิดได้จากโปรตีนหน่วยย่อยจำนวนน้อย ซึ่งเป็นประโยชน์ทางพันธุกรรมสำหรับไวรัสที่มีความสามารถในการเข้ารหัสจำกัด ทฤษฎีกึ่งสมมูลของ Caspar และ Klug อธิบายว่าหน่วยย่อยเหล่านี้บรรจุรวมกันเป็นเปลือกหุ้มดังกล่าวได้อย่างไร

แคปซิดและเปลือกหุ้มแตกต่างกันอย่างไร

แคปซิดคือเปลือกโปรตีนที่เข้ารหัสโดยไวรัสซึ่งห่อหุ้มจีโนมโดยตรง ในขณะที่เปลือกหุ้มคือชั้นไขมันสองชั้นที่ได้มาจากเยื่อหุ้มเซลล์ของโฮสต์ ซึ่งได้รับระหว่างการแตกหน่อและมีโปรตีนบนพื้นผิวของไวรัสฝังอยู่ ไม่ใช่ไวรัสทุกชนิดที่มีเปลือกหุ้ม