Cấu trúc vỏ capsid và lớp vỏ bọc của virus

Capsid là lớp vỏ protein bao bọc và bảo vệ bộ gen của virus, và ở nhiều loại virus, nó được bao quanh bởi một lớp vỏ lipid bổ sung có nguồn gốc từ màng tế bào chủ. Cùng với capsid, bộ gen mà nó chứa (nucleocapsid), và bất kỳ lớp vỏ bọc và protein bề mặt nào, chúng định hình kiến trúc của hạt virus và quyết định cách nó tồn tại trong môi trường, gắn vào tế bào và được hệ miễn dịch nhận diện.

Definition

Capsid là lớp vỏ protein, được lắp ráp từ nhiều bản sao của một hoặc một vài tiểu đơn vị protein, bao bọc bộ gen của virus; lớp vỏ bọc, nếu có, là một lớp lipid kép có nguồn gốc từ vật chủ bao quanh capsid và mang các protein bề mặt do virus mã hóa.

Scope

Mục này bao gồm các khối cấu tạo protein của capsid (tiểu đơn vị và capsomere), các đối xứng xoắn ốc và đối xứng hai mươi mặt mà chúng có thể có, nguyên tắc bán tương đương (quasi-equivalence) giải thích cấu trúc capsid, và cấu trúc cũng như nguồn gốc của lớp vỏ lipid với các glycoprotein nhúng trong đó. Đây là một tài liệu tham khảo về cấu trúc và không đề cập đến quản lý lâm sàng.

Core questions

• Capsid được lắp ráp từ một số lượng hạn chế các tiểu đơn vị protein như thế nào?
• Tại sao capsid lại có đối xứng xoắn ốc hoặc đối xứng hai mươi mặt?
• Nguyên tắc bán tương đương là gì và nó dự đoán điều gì?
• Virus thu nhận lớp vỏ lipid như thế nào và nó chứa gì?
• Capsid và lớp vỏ bọc đóng góp như thế nào vào sự ổn định và xâm nhập của hạt virus?

Key concepts

• Tiểu đơn vị capsid (protomer) và capsomere
• Đối xứng xoắn ốc
• Đối xứng hai mươi mặt và số tam giác
• Bán tương đương
• Nucleocapsid
• Lớp vỏ lipid
• Glycoprotein vỏ bọc (gai/peplomer)
• Hạt trần (không có vỏ bọc) so với hạt có vỏ bọc

Key theories

Lý thuyết bán tương đương (Caspar-Klug)

Caspar và Klug lập luận rằng tính kinh tế di truyền đòi hỏi capsid phải được xây dựng từ nhiều bản sao của một vài tiểu đơn vị protein liên kết trong các môi trường bán tương đương, dự đoán các vỏ hai mươi mặt được mô tả bằng số tam giác.

Nguyên tắc kinh tế di truyền trong cấu trúc capsid

Crick và Watson lý luận rằng một bộ gen virus nhỏ không thể mã hóa một lớp vỏ lớn độc đáo, vì vậy capsid phải được lắp ráp từ các tiểu đơn vị giống hệt nhau lặp lại được sắp xếp đối xứng, một dự đoán đã được xác nhận bởi các nghiên cứu cấu trúc sau này.

Mechanisms

Vì bộ gen của virus nhỏ, capsid được lắp ráp từ nhiều bản sao của một hoặc một vài tiểu đơn vị protein thay vì từ nhiều protein độc đáo. Các tiểu đơn vị lặp lại tự lắp ráp thành các cấu trúc đối xứng: capsid xoắn ốc quấn protein quanh axit nucleic tạo thành một thanh hoặc sợi, trong khi capsid hai mươi mặt tạo thành các vỏ kín có hình học được mô tả bởi nguyên tắc bán tương đương và số tam giác của Caspar và Klug. Nhiều virus còn nảy chồi qua màng tế bào chủ, bọc nucleocapsid trong một lớp vỏ lipid mà các glycoprotein do virus mã hóa được chèn vào; các protein bề mặt này làm trung gian cho sự gắn kết và, ở các virus có vỏ bọc, sự hợp nhất màng. Capsid và lớp vỏ bọc cùng nhau điều chỉnh sự ổn định trong môi trường, với các hạt không có vỏ bọc thường có khả năng chống chịu tốt hơn với sự khô hạn và chất tẩy rửa so với các hạt có vỏ bọc.

Clinical relevance

Cấu trúc capsid và lớp vỏ bọc là cơ sở để phát hiện virus, cách các protein bề mặt đóng vai trò là kháng nguyên vắc-xin, và tại sao virus có vỏ bọc và không có vỏ bọc lại khác nhau về khả năng chống chịu môi trường. Mục này mô tả các nguyên tắc cấu trúc để tham khảo và không cung cấp các khuyến nghị chẩn đoán hoặc điều trị.

History

Năm 1956, Crick và Watson đã dự đoán rằng các virus nhỏ phải được xây dựng từ nhiều tiểu đơn vị protein giống hệt nhau được sắp xếp đối xứng, dự đoán kiến trúc đều đặn sau này được quan sát bằng nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử. Lý thuyết bán tương đương năm 1962 của Caspar và Klug đã khái quát hóa điều này để giải thích các capsid hai mươi mặt có kích thước khác nhau, và các nghiên cứu cấu trúc độ phân giải cao sau đó, được Harrison tổng quan, đã tiết lộ kiến trúc capsid ở cấp độ nguyên tử.

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

Tại sao rất nhiều virus có hình hai mươi mặt?

Đối xứng hai mươi mặt cho phép một vỏ kín được xây dựng từ nhiều bản sao của một số lượng nhỏ các tiểu đơn vị protein, điều này có lợi về mặt di truyền cho các virus có khả năng mã hóa hạn chế; lý thuyết bán tương đương của Caspar và Klug giải thích cách các tiểu đơn vị đóng gói vào các vỏ như vậy.

Sự khác biệt giữa capsid và lớp vỏ bọc là gì?

Capsid là một lớp vỏ protein do virus mã hóa trực tiếp bao bọc bộ gen, trong khi lớp vỏ bọc là một lớp lipid kép có nguồn gốc từ màng tế bào chủ, được thu nhận trong quá trình nảy chồi và được đính kèm các protein bề mặt của virus; không phải tất cả các virus đều có lớp vỏ bọc.