โครงสร้างและการจำแนกประเภทของไวรัส
โครงสร้างและการจำแนกประเภทของไวรัสเป็นสาขาหนึ่งของไวรัสวิทยาที่อธิบายว่าอนุภาคของไวรัสถูกสร้างขึ้นอย่างไร และความหลากหลายอันมหาศาลของไวรัสถูกจัดเรียงเป็นอนุกรมวิธานที่สอดคล้องกันได้อย่างไร ไวรัสเป็นปรสิตภายในเซลล์ที่จำเป็นต้องอาศัยเซลล์อื่นในการดำรงชีวิต ซึ่งอนุภาคของไวรัสจะบรรจุจีโนมกรดนิวคลีอิกไว้ภายในเปลือกโปรตีน และวิธีการจัดระเบียบของบรรจุภัณฑ์นั้น — สมมาตรของแคปซิด การมีอยู่หรือไม่มีอยู่ของเปลือกหุ้มไขมัน และลักษณะทางเคมีของจีโนม — เป็นทั้งกายวิภาคและเกณฑ์หลักที่ใช้ในการตั้งชื่อและจัดกลุ่มไวรัส
Definition
โครงสร้างและการจำแนกประเภทของไวรัสคือการศึกษาโครงสร้างโมเลกุลของอนุภาคไวรัส ควบคู่ไปกับกรอบการทำงานที่เป็นระบบ — โดยหลักคือแผนการจำลองจีโนมของบัลติมอร์และอนุกรมวิธานของ ICTV — ซึ่งจัดระเบียบไวรัสตามคุณสมบัติทางโครงสร้างและจีโนมของพวกมัน
Scope
สาขาความรู้นี้จะแนะนำผู้อ่านให้รู้จักกับส่วนประกอบพื้นฐานของอนุภาคไวรัส (แคปซิด, เปลือกหุ้ม, จีโนม, โปรตีนยึดเกาะ) หลักการทางกายภาพที่ควบคุมการสร้างแคปซิด และระบบเสริมสองระบบที่ใช้ในการจัดระเบียบไวรัส ได้แก่ การจำแนกประเภทบัลติมอร์ตามจีโนม และอนุกรมวิธานแบบลำดับชั้นที่ดูแลโดยคณะกรรมการระหว่างประเทศว่าด้วยอนุกรมวิธานของไวรัส (International Committee on Taxonomy of Viruses - ICTV) นี่คือภาพรวมอ้างอิงว่ารูปแบบของไวรัสได้รับการศึกษาอย่างไร และรูปแบบนั้นเป็นพื้นฐานของการจำแนกประเภทอย่างไร ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก
Sub-topics
Core questions
- ส่วนประกอบใดบ้างที่ประกอบเป็นอนุภาคไวรัส และพวกมันประกอบรวมกันได้อย่างไร?
- เหตุใดแคปซิดส่วนใหญ่จึงมีสมมาตรแบบเกลียวหรือแบบทรงยี่สิบหน้า?
- อะไรคือความแตกต่างระหว่างไวรัสมีเปลือกหุ้มกับไวรัสไม่มีเปลือกหุ้ม?
- ลักษณะทางเคมีของจีโนมจัดระเบียบไวรัสเป็นกลุ่มบัลติมอร์ได้อย่างไร?
- ICTV จัดเรียงไวรัสเป็นลำดับชั้นทางอนุกรมวิธานที่เป็นทางการได้อย่างไร?
Key concepts
- แคปซิดและแคปโซเมียร์
- สมมาตรแบบเกลียวและแบบทรงยี่สิบหน้า
- เปลือกหุ้มไขมันและไกลโคโปรตีน
- นิวคลีโอแคปซิดและไวริออน
- ขั้วของจีโนม (positive/negative sense) และความเป็นสาย (strandedness)
- ชั้นบัลติมอร์
- ลำดับชั้นทางอนุกรมวิธานของ ICTV (จากอาณาจักรถึงสปีชีส์)
Key theories
- ทฤษฎี Quasi-equivalence (Caspar-Klug) ของการสร้างแคปซิด
- Caspar และ Klug เสนอว่าหลักการประหยัดทางพันธุกรรมบังคับให้แคปซิดถูกสร้างขึ้นจากโปรตีนหน่วยย่อยจำนวนมากที่จัดเรียงตัวด้วยพันธะแบบ quasi-equivalent ซึ่งทำนายเปลือกทรงยี่สิบหน้าที่พบในไวรัสทรงกลมส่วนใหญ่
- การจำแนกประเภทตามจีโนมของบัลติมอร์
- David Baltimore เสนอว่าไวรัสทั้งหมดสามารถจัดเรียงได้ตามเส้นทางจากจีโนมของพวกมันไปยัง messenger RNA ซึ่งทำให้เกิดชุดของชั้นการจำลองแบบจำนวนน้อยที่ยังคงเป็นหลักการจัดระเบียบที่เป็นหนึ่งเดียวโดยไม่ขึ้นกับอนุกรมวิธานที่เป็นทางการ
Mechanisms
อนุภาคไวรัสโดยพื้นฐานแล้วเป็นพาหนะในการนำส่งจีโนม จีโนม — DNA หรือ RNA, สายเดี่ยวหรือสายคู่, มีขั้วหนึ่งหรืออีกขั้วหนึ่ง — ถูกห่อหุ้มด้วยแคปซิดที่ประกอบขึ้นจากหน่วยย่อยโปรตีนที่ซ้ำกัน หลักการประหยัดทางพันธุกรรมทำให้แคปซิดส่วนใหญ่มีสมมาตรแบบเกลียวหรือแบบทรงยี่สิบหน้า ซึ่งสร้างขึ้นจากโปรตีนไม่กี่ชนิด ไวรัสสัตว์หลายชนิดยังได้รับเปลือกหุ้มไขมันที่ได้มาจากโฮสต์ซึ่งมีไกลโคโปรตีนของไวรัสฝังอยู่ระหว่างการแตกหน่อ คุณสมบัติทางโครงสร้างและจีโนมเหล่านี้เป็นเกณฑ์ในการจำแนกประเภท: ระบบบัลติมอร์จัดกลุ่มไวรัสตามเส้นทางจากจีโนมไปยัง mRNA ในขณะที่อนุกรมวิธานของ ICTV รวมประเภทจีโนม สัณฐานวิทยาของอนุภาค และลำดับจีโนมที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เข้าไว้ในลำดับชั้นที่มีการจัดอันดับ
Clinical relevance
คุณสมบัติทางโครงสร้างและอนุกรมวิธานที่สรุปไว้ในที่นี้เป็นพื้นฐานของแง่มุมเชิงปฏิบัติหลายประการของไวรัสวิทยา รวมถึงวิธีการระบุไวรัสในห้องปฏิบัติการ วิธีการคิดค้นเป้าหมายยาต้านไวรัสและวัคซีน และวิธีการจดจำไวรัสที่เกี่ยวข้อง ในฐานะภาพรวมอ้างอิง สาขาความรู้นี้อธิบายพื้นฐานของการจำแนกประเภทและโครงสร้างอนุภาค ไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา
Evidence & guidelines
แนวปฏิบัติในการจำแนกประเภทในสาขานี้ยึดตาม ICTV ซึ่งอนุกรมวิธานที่ได้รับการรับรองและฐานข้อมูลสนับสนุนทำหน้าที่เป็นกรอบอ้างอิงที่เชื่อถือได้สำหรับการตั้งชื่อและจัดกลุ่มไวรัส
History
ความเข้าใจสมัยใหม่เกี่ยวกับสถาปัตยกรรมของไวรัสเติบโตจากการศึกษาไวรัสขนาดเล็กด้วยรังสีเอกซ์และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในช่วงทศวรรษ 1950 และ 1960 เมื่อ Crick และ Watson ทำนายการสร้างแคปซิดแบบหน่วยย่อยที่มีสมมาตร และ Caspar กับ Klug ได้กำหนดหลักการ quasi-equivalence อย่างเป็นทางการ ในปี 1971 David Baltimore ได้นำเสนอการจำแนกประเภทตามจีโนมที่ครอบคลุมสัณฐานวิทยาของอนุภาค และในช่วงหลายทศวรรษต่อมา ICTV ได้พัฒนาระบบอนุกรมวิธานที่เป็นทางการซึ่งใช้ข้อมูลลำดับและยังคงขยายตัวต่อไป
Key figures
- Aaron Klug
- Donald Caspar
- David Baltimore
- Stephen Harrison
- Eugene Koonin
Related topics
Seminal works
- harrison-1983
- baltimore-1971
- lefkowitz-2017
Frequently asked questions
- การจำแนกประเภทบัลติมอร์และอนุกรมวิธานของ ICTV แตกต่างกันอย่างไร?
- ระบบบัลติมอร์จัดเรียงไวรัสออกเป็นกลุ่มเล็กๆ ตามเส้นทางจากจีโนมของพวกมันไปยัง mRNA ในขณะที่ ICTV รักษาอนุกรมวิธานแบบลำดับชั้นที่เป็นทางการ (จากอาณาจักรลงไปถึงสปีชีส์) ซึ่งรวมประเภทจีโนม สัณฐานวิทยา และลำดับเข้าไว้ด้วยกัน ทั้งสองระบบเป็นส่วนเสริมซึ่งกันและกันมากกว่าที่จะแข่งขันกัน
- ไวรัสทุกชนิดมีเปลือกหุ้มหรือไม่?
- ไม่ ไวรัสหลายชนิดไม่มีเปลือกหุ้ม (naked) ซึ่งประกอบด้วยเพียงจีโนมภายในแคปซิดโปรตีนเท่านั้น ในขณะที่ไวรัสบางชนิดได้รับเปลือกหุ้มไขมันที่ได้มาจากโฮสต์ซึ่งมีไกลโคโปรตีนของไวรัสฝังอยู่ การมีอยู่หรือไม่มีอยู่ของเปลือกหุ้มเป็นคุณสมบัติทางโครงสร้างหนึ่งที่ใช้ในการอธิบายและจำแนกประเภท