Viruses • Viruses infect every type of cell, including  bacteria, algae, fungi, protozoa, plants, and  animals

Viruses

• Seawater can contain 100 million viruses  per milliliter • For many years, the cause of viral infections  was unknown • Louis Pasteur postulated that a “living  thing” smaller than bacteria caused these  diseases

H1N1 influenza Virus

• also proposed the term virus, which is Latin  for “poison.”

General Characteristics of Viruses

Viruses • Ivanovski and Beijerinck showed that  a disease in tobacco was caused by a  virus

• Are viruses alive? • better described as active or inactive

• Loeffler and Frosch discovered an  animal virus causes foot‐and‐mouth  disease in cattle • Filterable virus • These early researchers found that  when fluids from host organisms  passed through porcelain filters  designed to trap bacteria, the  filtrate remained infectious • This result proved that a cell‐free  fluid could contain agents that  could cause infection Tobacco mosaic virus

Role of Viruses in Evolution

• Obligatory intracellular  parasites • Not cells: no cell wall,  cytoplasm, or organelles • Require living host cells in  order to multiply • Very small  • Submicroscopic ‐ visible only  with Electron Microscope

Smallpox virus

How small are viruses? VERY!!

• Infect cells and influence their genetic makeup • Shape the way cells, tissues, bacteria, plants, and  animals have evolved • 10% of the human genome consists of sequences that  come from viruses • 10 – 20% of bacterial DNA contains viral sequences

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Distinctive Features of Viruses

Distinctive Features of Viruses

• Viruses bear no resemblance to  cells and lack any of the protein‐ synthesizing machinery found in  cells

Capsid Covering Envelope (not found in all viruses)

• Viral structure is composed of  regular, repeating subunits that  give rise to their crystalline  appearance

Virus particle

• Contain only those parts needed  to invade and control a host cell – external coating – core containing one or more  nucleic acid strains of DNA or RNA – sometimes one or two enzymes

Nucleic acid molecule(s) (DNA or RNA) Central core Matrix proteins Enzymes (not found in all viruses)

Poliovirus

Viral Structure – Nucleic acid core • DNA or RNA, single or  double stranded

– Capsid • protein coat It’s amazing that a particle  made of just a nucleic acid  core and a protein coat  (capsid) can kill higher level  organisms

Capsid and Envelope Functions • Protect the nucleic acid  from the host’s acid‐ and  protein digesting enzymes

Viral Structure • Envelope • Some viruses have an  envelope, some don’t • Where does the  envelope come from?   The virus “steals”  some of the host  plasma membrane  when it leaves the cell! 

• Spikes • Some viruses have  carbo‐protein  complexes projecting  from surface • Just like organisms,  viruses are very  diverse!

General Morphology of Viruses • Viral capsids come in many  shapes: – Helical (“like a slinky toy”)

• Assist in binding and  penetrating host cell • Stimulate the host’s  immune system—good  for us!

– Icosahedral  – Complex (Remember they can also be  enveloped or not)

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Helical capsid

Icosahedral capsid • Three‐dimensional, 20‐sided  with 12 evenly spaced  corners (geometry in  action!) • Variation in capsomer number 

• Naked helical virus – Ex. Tobacco mosaic virus – Nucleocapsid is rigid  and tightly wound into a  cylinder‐shaped  package

– Polio virus 32 capsomers – Adenovirus (cold virus) 240  capsomers

• Enveloped helical virus – Ex. Influenza, measles,  rabies – Nucleocapsid is more  flexible

Comparison between (a)  naked helical plant virus  and an (b) enveloped  helical human virus. 

Icosahedral viruses can be naked or enveloped.

• Don’t worry about memorizing  the different numbers of sides  or capsomers. • Just be amazed at how  geometric in shape viruses are

Complex viruses • Structure is more complex than helical and  icosahedral viruses • Pox virus • Several layers of lipoproteins • Causes smallpox, cowpox,  chickenpox

• Bacteriophage • Virus that attacks bacteria • Polyhedral head with tail fibers • Looks like a spacecraft

Comparison of the morphology of a naked virus, enveloped  virus and a complex virus. (Viruses are DIVERSE!)

Icosahedral virus ‐ Hepatitis B

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Filamentous Helical Virus ‐ Ebola

Complex Virus ‐ Pox virus

Viral Nucleic Acid

Enzymes in the Virus Particle

• Viruses contain either DNA or RNA  (but not both)  • The Nucleic Acid can be in different  forms: • • • •

Single stranded (ss) DNA  Double stranded (ds) DNA  (like us) ssRNA dsRNA

– Possess only the genes to invade and  regulate the metabolic activity of host  cells – Ex. Hepatitis B (4 genes) and herpes  viruses (100 genes) compare to E. coli  (4000) and humans (40,000) – No viral metabolic genes because the  virus uses the host’s metabolic resources

• Enzymes for specific  operations within their host  cell – polymerases that synthesize  DNA and RNA – replicases that copy RNA – reverse transcriptase  synthesizes DNA from RNA – retroviruses  carry their own  enzymes to create DNA out of  RNA

HIV Reverse Transcriptase

Classifying Viruses • We look at commonalities in: – Genetic makeup (DNA, RNA, genetic sequence) – Structure (Naked, enveloped, helical, icosahedral) – Chemical composition – Host relationship – Type of disease

3 orders 73 families 283 genera

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Medically Relevant Virus Groups 

Viral Multiplication Cycle

Viruses

• The viral life cycle  (multiplication cycle)  depends on the type  of virus and species  infected. • We’ll consider the  following: – Animal viruses  – Retroviruses – Bacteriophages

Viral Multiplication Cycle: Animal Viruses

Viral Multiplication Cycle: Animal Viruses

Phase

1. Adsorption/Attachment to the host cell

Short  description of  each phase in  viral  multiplication 

Description

1.Adsorption/  Attachment

Viral particle (virion) attaches to  specific receptor on outside of host  cell

2.Penetration

Virion penetrates the host cell  through the cell membrane and/or  cell wall to enter the cytoplasm

3. Uncoating

Removable of the capsid and  envelope, if present, exposes  nucleic acid of the virus

If you can stop just ONE of  these steps you can stop  4. Synthesis the multiplication of  viruses! 5. Assembly 6. Release

Production of virion parts (nucleic  acid, capsid, spikes…) Parts made in step 4. synthesis are  put together like a toy at Christmas Virion exits the cell by lysing the cell  or exocytosis and may steal some of  the host membrane for its envelope

Viral Multiplication Cycle: Animal Viruses 2. Penetration of the animal virus into the cell occurs by endocytosis or  fusion between the viral envelope and the host cell membrane. 3. Uncoating of the capsid and envelope, if present,  exposes the nucleic  acid of the virus

Naked  Virus

• Surface viral particles bind to specific membrane proteins on the  host cell membrane • This is how rhinovirus identifies and targets the nose while HIV  binds to immune cells

Viral Multiplication Cycle: Animal Viruses 4. Synthesis of the viral  nucleic acid and proteins   occurs 5. Assembly of the viral  proteins and nucleic acid into  it’s capsid and envelope, if  present.  Making a new  virus. 

Enveloped  Virus

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Viral Multiplication Cycle: Animal Viruses 6. Release: The mature virus leaves the cell.  At this point it can  obtain an envelope by budding off the host cell membrane.

Animal Viruses: Cytopathic effects(CPEs • Cytopathic effects (CPEs) is  damage that occurs to the  host cell due to a viral  infection. It can include: – Inclusion bodies  • Compacted masses of viruses

– Syncytia  • Many cells fused into a large  clump cell

– Chronic latent state  • Virus lays in wait until it’s  reactivated

– Transformation  • Cancer: increased rate of  growth, alterations in DNA,  continuous cell division, loss of  contact inhibition

Viral Multiplication Cycle : Retroviruses • Retroviruses are unique since they carry their own  polymerase (reverse transcriptase) and transcribe  RNA‐‐>DNA (1) Attachment/Attachment (2) Penetration (3) Uncoating HIV is the most famous (4) Synthesis‐by RT retrovirus that can integrate (5) Integration its DNA into our DNA and lay latent for years! (6) Synthesis (7) Assembly (8) Release

Viral Multiplication Cycle : Retroviruses • After uncoating retroviruses use  their reverse  transcriptase to  make DNA from  their RNA. • This DNA is then  integrated into the  genome of the host • From here the virus  can lay latent for  many years until it  goes through the  second synthesis  step where the  viral RNA and  proteins are  produced

Persistent Infections • Accumulated damage  from a virus infection  kills most cells • Persistent infections – cell harbors the virus – not immediately lysed – can last from a few  weeks to the remainder  of the host’s life – can remain latent in the  cytoplasm

Persistent Infections • Provirus   – A persistent infection in  which the viral DNA is  incorporated into the  DNA of the host

• Can be an inactive viral  infections or a retrovirus.  – In inactive viral infections  the virus will not replicate  itself but through  replication of its host cell.  – Endogenous retroviruses  are always in the state of  a provirus. 

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Persistent Infections • Chronic latent state – Viruses go into a period of  inactivation in cells – May emerge under the  influence of various stimuli

• Herpes simplex  cold  sore • Chickenpox  Shingles  (10‐20% of the time) • HIV  AIDS

Viruses and Cancer • 15‐20% of cancers are virus‐induced • Several types of cancer are caused  by viruses • 1908‐virologists transferred chicken  leukemia by infecting healthy  chickens with cell‐free filtrates from  diseased chickens • Viruses can alter our DNA when  they insert their DNA into ours. • Viruses may produce viral  replication proteins that stimulate  cell reproduction (mitosis)

Viruses and Cancer

Viruses and Cancer

Viruses and Cancer

VIRAL CANCER: prostate cancer specimen, the brown‐ stained cells are the malignant cells that express virus  proteins. 

Cancer Cell Characteristics • DNA is mutated,  chromosomal  abnormalities • cell shape altered • uncontrolled growth • loss of contact  inhibition – Usually cells will stop  growing when they  contact each other.  In  cancer, the cells keep  growing and growing  on top of each other  to produce a tumor.

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Bacteriophages

DNA & RNA Oncogenic Viruses in Humans • DNA Oncogenic Viruses • papillomavirus‐‐> cervical cancer • Epstein‐Barr virus‐‐>Burkitt’s lymphoma,  nasopharyngeal carcinoma • Hepatitis B‐‐>liver cancer

• RNA Oncogenic Viruses • Human T‐cell leukemia virus • Human herpesvirus 8 (HHV8)Kaposi’s Sarcoma

Bacteriophage Multiplication Cycle Lytic Cycle  (1) Absorption (2) Penetration (3) Biosynthesis (4) Maturation/Assembly (5) Release

Lysogenic Cycle (1) Absorption (2) Penetration (3) Integration of phage     DNA into host DNA (4) Binary Fission (5) Occasionally, excision of  phage DNA initiates  lytic cycle at stage (3)

Temperate Phages can “switch”  between the Lytic and Lysogenic Cycles Lysogenic Cycle (1) Absorption (2) Penetration (3) Integration of  phage    DNA into  host DNA (4) Binary Fission (5) Occasionally,  excision of phage  DNA initiates lytic  cycle at stage (3),  biosynthesis

• From the Greek phage  meaning “eating” • Every bacterial species  is parasitized by  various specific  bacteriophages • Often make the  bacteria they infect  more pathogenic

The lytic cycle of Viral Infection by  Bacteriophages Lytic Cycle  (1) Absorption (2) Penetration (3) Biosynthesis (4) Maturation/Assembly (5) Release

Lysogeny in Human Disease • Occasionally phage genes in the  bacterial chromosome cause the  production of toxins or enzymes  that cause pathology in the  human • Lysogenic conversion:  when a  bacterium acquires a new trait  from its temperate phage – Corynebacterium diphtheriae – diphtheria toxin – Vibrio cholerae – cholera toxin – Clostridium botulinum – botulinum toxin

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Isolation & Cultivation of Viruses • Can you inoculate culture media  with viruses and expect them to  grow? (Like we do with  bacteria?) • Viruses always need a living host  to replicate. • Bacterial viruses • Grow bacteria, then infect  with virus • Animal viruses • Infect living animals • Infect embryonated eggs • Infect animal cell cultures

Identifying a Virus • Similar to bacteria: • Immunological methods – Draw blood and analyze  antibody‐antigen  interactions (using a  specific antibody, you can  identify the specific virus  that binds with it)

Isolation & Cultivation of Viruses • A monolayer of  monkey kidney  cells is a cell  culture enabling  the propagation  of viruses. • Plaques:  areas  where virus‐ infected cells  have been  destroyed and  show up as a  clear, well‐ defined patches  in the cell sheet

Viruses and Chemotherapy • Difficult in viruses • It is usually difficult to treat viral infections with drugs  since the virus relies on the metabolic machinery  (enzymes) of the host.  In order to inhibit/kill the virus  with a drug you may inhibit/kill the host cell in the  process.

• Examine genetic  sequences • Signs and symptoms

Treatment of Viral Infections • Antibiotics and sulfa drugs ineffective – Antibiotics attack membrane bound structures.   Viruses lack membranes – Sulfa drugs inhibit metabolic pathways. Viruses  lack these.

Treatment of Viral Infections • Methods – Inhibit viral penetration:  Amantidine – Inhibit DNA synthesis  – Inhibit viral protein  synthesis: Acyclovir – Interfere with viral protein  modification: Protease  inhibitors (Saquinavir) – Inhibit viral enzymes: AZT – Prevent viral production:  Interferon

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Prevention of Viral Infections Vaccination ( Smallpox,  Mumps, Polio) • Interferon

•

• Cell protein produced by  infected cells.  Protects  other cells by inhibiting  viral replication. • Protection occurs  naturally • Can be artificially  produced

• Sanitation

Viruses and Human Health • Viruses with high mortality  rates:  rabies, AIDS, Ebola • Viruses that cause long‐ term debility:  polio,  neonatal rubella • Viruses with possible connection to chronic  afflictions with an unknown  cause:  type 1 diabetes,  multiple sclerosis, various  cancers, Alzheimer’s  disease, obesity Polio

Parasitic Particles: Prions • PRIONs (pree‐ons): proteinaceous infectious particle • 9 animal diseases caused by PRIONs: “mad‐cow” disease, scrapie‐ sheep, kuru, Creutzfeldt‐Jakob disease • Spongiform encephalitis: large vacuoles in brain • Fatal neurological degeneration, fibril deposits in brain, and loss of  brain matter • Prions only destroyed by incineration or autoclaving in 1 N NaOH

Parasitic Particles: Prions • Cellular PrP protein • Made by all  mammals • Normal structure  with α‐helices called  cellular PrP

• Prion PrP • Disease‐causing  form with β‐pleated  sheets called prion  PrP

• Prion PrP changes shape  of cellular PrP so it  becomes prion PrP‐this  is it’s form of  replication!

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