مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 4: Virology

 

 

 

251

 

Lecture 1+2+3 - Introduction 

 
Virus (Virion) 
It is the smallest infectious agents and contains one kind 
of nucleic acid as their genome (DNA or RNA). Size 
range from (20nm-300nm in diameter). Viruses replicates 
only inside the living cells of other organisms and can 
infect all types of life forms, from animals and plants to 
bacteria 
and archaea  
 

I-Viral mucleic acid 

The viral nucleic acid is located internally and can be 
either double or single stranded DNA or RNA. 
The nucleic acid is either circular or linear. 
The DNA is always a single molecule (double or single); 
RNA can exist either as a single molecule or in several 
pieces. 
Almost all viruses contain only a single copy of their 
genome (haploid) but retroviruses are the exception (RNA 
genome of two copies (Diploid)). 
 

II-Viral capsid 

The capsid is the “shell” of virus-coded protein that 
encloses the nucleic acid and is more or less closely 
associated with it. The combination of these two 
components (Capsid and NA) is often termed the 
nucleocapsid, especially if they are closely associated as 
in the myxoviruses. 
The capsid is made up of subunits, the capsomers, the 
number of which varies but is specific and constant for 
each viral species. These (capsomeres) are spherical or 
cylindrical structures composed of several polypeptides. 
The capsid protects the nucleic acid from degradation. In 
all except enveloped viruses, it is responsible for the 
attachment of the viruses to the host cell. 

 
Viral Symmetry 
The arrangement of capsomers gives the virus structure 
and its geometric symmetry. Viral nucleocapsids have 
two forms of symmetry: 

1)  Icosahedral:

 (polyhedrons with 20 equilateral triangular 

faces)

 in which the capsomers are arrangred in 20 

triangles that form a symmetric figure with approximate 
outline of the sphere. 

 

 

2)  Helical: in which the capsomers are arranged in a hollow 

coil that that appears rod-shaped. 

 

 

 
All human viruses that have a helical nucleocapsid are 
enclosed by an outer membrane called an envelope while 
icosaheral nucleocapsid can be either enveloped or non-
enveloped (naked). 

3)  Complex symmetry. Complex structural patterns are 

found in bacteriophages and the smallpox virus. 
 

III- Viral proteins 

  Structural proteins of viruses have several important 

functions: 

1)  Facilitate transfer of the viral nucleic acid from one host 

cell to another. 

2)  Protect viral genome against inactivation by nucleases 
3)  Participate in the attachment of the virus particle to 

susceptible cell. 

4)  Provide the structural symmetry of the virus particle. 
5)  Determine the antigenic characteristics of the virus. 
  There are frequently glycoproteins in the form of spike 

like projections on the surface, which attach to host cell 
receptors during the entry of the virus into the cell. 

  Another protein is the Matrix protein mediates the 

interaction between the capsid protein and the envelope. 

  Non-Structural proteins 

Some viruses carry enzymes inside the virions which are 
essential for the initiation of the viral replicative cycle 
when the virus enter host cell e.g.: a) RNA polymerase 
which is carried by negative sense RNA virus that is 
needed to copy the first mRNA. b) reverse transcriptase in 
retroviruses that makes a DNA copy of the viral RNA.  
Some viruses contain regulatory proteins in the virion in a 
structure called the tegument which is located between 
nucleocapsid and the envelope. These regulatory proteins 
include transcription and translation factors that control 
either viral or cellular processes. Herpes simplex and 
cytomegalovirus have well characteristics tegument.  
 

 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

251

 

IV-Viral envelope 

It is a lipoprotein membrane composed of lipid derived 
from the host cell membrane and protein that is virus 
specific. 
Enveloped viruses are more sensitive to heat, ether, 
detergents, and dryness. They are transmitted by direct 
contact. 
Non-enveloped virus (naked) are more stable and 
transmitted by indirect contact. 
 

Classification of viruses 

The taxonomic system used for viruses is artificial (i.e., it 
does not reflect virus evolution) and is based on the 
following morphological and biochemical criteria: 

1)  Genome: DNA or RNA genome (important basic 

differentiation of virus types!) as well as configuration of 
nucleic acid structure: single-stranded (ss) or double-
stranded (ds); RNA viruses are further subclassified 
according to plus and minus polarity. 

2)  Capsid symmetry: cubic, helical, or complex symmetry. 

3)  Presence or absence of an envelope. 
4)  Diameter of the virion, or of the nucleocapsid with 

helical symmetry. 
 

Atypical virus –like agents 

1)  Defective viruses: are viruses composed of viral N.A and 

proteins but cannot replicate without a "helper" virus, 
which provides the missing function. There is usually a 
mutation or deletion of a part of their genetic material  

2)  Pseudovirions: contain host cell DNA instead of viral 

DNA within the capsid.they are formed during infection 
with certain viruses when host cell DNA is fragmented 
and pieces of it are incorporated within the capsid protein. 

3)  Viriods: single molecule of circular RNA without a 

protein coat or envelope. 

4)  Prions: are infectious particles that are composed solely 

of protein. They are implicated as the cause of certain 
slow disease which called transmissible spongiform 
encephalopathies. 

 

Viral replication 

The growth curve in figure 1 shows that first event is 
disappearance of the virus as represented by the solid line 
dropping to the x axis. Although the virus particle is no 
longer present, the viral nucleic acid continues to function 
and begins to accumulate within the cell. The time during 
which no virus is found inside the cell is known as the 
Eclipse period. It ends with the appearance of the virus 
(solid line). The latent period is defined as the time from 

the onset of infection to the appearance of the virus 
extracellularly. At the end of latent period, alterations of 
cell morophology accompanied by marked derangement 
of cell function; this is called cytopathic effect (CPE) 
which culminates in the lysis and death of cells. These 
CPE can be seen under the light microscope. 
 

 

Figure 1: Viral growth curve. 
 
Specific events during the growth cycle 

I-Early events ( attachment, penetration, 
&uncoating) 

The proteins on the surface of the virion attach to specific 
receptor proteins on the cell surface through weak non-
covalent bonding. The specifity of the attachment 
determines the host range of the virus. 
The virus particle penetrates by being engulfed in a 
pinocytic vesicle, within which the process of uncoating 
begins. 
The receptors for viruses on the cell surface are proteins 
that have other functions in the life of the cell. 
NOTES:  

1-  Infectious nucleic acid is purified viral RNA or DNA 

(without any protein) that can carry out the entire viral 
growth cycle & result in the production of complete virus 
particle. 

2-  All viruses are "infectious" but not all purified genomes 

are infectious. 

 

II- Middle events (Gene Expression and Genome 
Replication) 

The first step in viral gene expression is mRNA synthesis. 
It is at this point that viruses follow different pathways 
depending on the nature of their nucleic acid and the part 
of the cell in which they replicate.  


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

251

 

  DNA viruses: Most have both positive and negative 

strand  (Ds) (except parvovirus has ssDNA), but only + 
strand is read.  

  All DNA Viruses replicate in the nucleus except 

poxvirus which has its own RNA polymerase to replicate 
in the cytosol 

  Retrovirus: Carries reverse transcriptase, which 

converts RNA to DNA in the nucleus, inserting DNA 
copy of genome into host cell DNA then using host 
transcription to mRNA.  

  Positive ssRNA viruses (e.g. poliovirus): Use RNA 

directly as mRNA to begin translation immediately in the 
cytosol 

  Negative ssRNA viruses: Must be transcribed to +ssRNA 

before being translated. Uses own RNA-dependent RNA 
polymerase
 to do transcription in the cytosol (except 
Influenza in nucleus
).  
Single RNA and segmented RNA are both in this 
category, though segmented RNA viruses may be 
ambisense (some -, some +ssRNA) 

  Double-stranded RNA: Carries its own RNA-dependent 

RNA polymerase to translate into mRNA in cytosol (+ 
strand hydrogen bonded to - strand so cannot be used as 
mRNA). Reoviruses 

  Early proteins are

 

enzymes

 

required for replication of 

viral genome (e.g. Hepadnavirsus produce reverse 
transcriptase
 to regenerate viral DNA from RNA 
intermediate).    
Most viruses make a virus-encoded polymerase  

(  

replicase )to make copies of genome, although some use 
host cell polymerases for this 

  Late proteins  

structural proteins for progeny viruses, 

often including precursor polypeptides and virus-coded 
proteases to cleave these polypeptides into final 
capsomer products (e.g. picornaviruses have single 
polypeptide that has intrinsic protease, retroviruses) 

 

III- Late events (Assembly and Release) 

The progeny particles are assembled by packing the viral 
nucleic acid within the capsid proteins. 

  Un enveloped viruses are released by cell rupture. 

  Enveloped viruses are released by budding through the 

outer cell membrane Except Herpes virus by budding 
from the nuclear membrane. 

 

  Lysogeny 

Is the process by which viral DNA becomes integrated 
into host cell DNA, replication stops and no progeny virus 
is made. Later if DNA is damaged by for example by UV 

light, viral DNA is excised from the host cell DNA , and 
progeny viruses are made. The integrated viral DNA is 
called a Prophage. Bacterial cells carrying a prophage 
can acquire a new trait, such as the ability to produce 
exotoxins such as Diphtheria toxin.  
Lysogenic conversion is the term used to indicate that the 
cell has acquired a new trait as a result of the integrated 
prophage. Lysogenic conversion is mediated by 
transduction
 ( transfer of gene from one bacterium to 
another by viruses). 

 
Relationship of lysogeny in bacteria to latency in 
human 
Members of the Herpesvirus family, such as herpes 
simplex virus (HSV), Varicella zoster virus (VZV), 
Cytomegalovirus (CMV), and Epstein-Barr virus (EBV), 
exhibit a latency – the phenomenon in which no or very 
little virus is produced after the initial infection but at 
some later time, reactivation and full virus replication 
occur. 
How Herpesvirus initiate and maintain the latent state? 
Shortly after the virus infects neurons, a set of "Latency-
associated transcripts" (LATS)
 are synthesized. These 
are non – coding, regulatory RNAs that suppress viral 
replication. The precise mechanism by which they do so 
is unclear. Reactivation of viral replication at a later time 
occurs when the genes encoding LATS are excised. 
CMV employs different mechanisms. The CMV genome 
encode microRNAs that inhibit the translation of mRNAs 
required for viral replication. Also, the CMV genome 
encodes both a protein and an RNA that inhibits 
apoptosis. This allows the infected cell to survive. 
 

Virus genetics 

Mutation  

Mutations are changes in the base sequence of a nucleic 
acid (base substitution, deletion and frame shift), resulting 
in a more or less radical alteration of the resulting protein.  
Medically important are mutant virus with weakened 
virulence that have retained their antigenicity and 
replication capabilities intact. These are known as 
“attenuated” viruses. They are the raw material of live 
vaccines. 

 

Interaction between viruses 

When two genetically distinct viruses infect a cell, three 
different phenomena can ensue: 

1)  Recombination  

Is the exchange of genes between two chromosomes that 
is based on crossing over within regions of significant 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

255

 

base sequence homology. Recombination can readily be 
demonstrated for viruses with DS DNA as well as by 
RNA virus but with a very low frequency. 
In case of segmented genome virus, 

Reassortment

 occurs 

when an exchange between segments occur. 

 

 

 

2)  Complementation :  

Refers to interaction of viral gene products in cells 
infected with two viruses, one or both of which may be 
defective. It results in the replication of one or both under 
conditions in which replication would not ordinarily 
occur. One of the virus provides a gene product in which 
the second is defective, allowing the second virus to grow. 
The genotype of the two viruses remain unchanged. if 
both mutants are defective in the same gene product, they 
will not be able to complement each others growth. 

3)  Phenotypic mixing 

The genome of virus type A can be coated with the 
surface proteins of virus type B. This phenotypically virus 
can infect cells as determined by its type B protein coat 
but the progeny virus from this infection has a type A coat 

 

 
Pseudotypes
, which consist of the nucleocapsid of one 
virus and the envelope of another e.g nucleocapsid of 
vesicular stomatitis virus and the envelope of HIV are 
currently being used in study immune response to HIV. 

D- Interference 
Infection of either cell cultures or whole animals with two 
viruses often leads to an inhibition of multiplication of 
one of the viruses. 
Several mechanisms as a cause of interference: 

1)  One virus may inhibit the ability of the second to adsorb 

to the cell. 

2)  One virus may compete for the second for the component 

of the replication apparatus. 

3)  The first virus may cause the infected cell to produce an 

inhibitor that prevents replication of the second virus. 
 

Viral pathogenesis 

The ability of viruses to cause disease can be viewed on 
two distinct levels: (1) the changes that occur within 
individual cells (2) the process that takes place in the 
infected patient. 

 

The infected cells  

Four main effects of virus infection on the cell 
1)  
death 
2)  Fusion of the cells to form multinucleated giant cells 

or inclusion bodies (discrete areas containing viral 
proteins or viral particles and may be intracytoplasmic 
or intranuclear). 

3)  Malignant transformation. 
4)  No apparent morphologic or functional changes. 

 

The infected patient 

Pathogenesis in the infected patient involves: 
1)  
Transmission of virus and its entry into the host. 
2)  Replication of the virus. 
3)  Spread of the virus to other cells and organs. 
4)  Immune response. 
5)  Persistence of the virus. 

 

Transmission of virus and its entry into the host. 

Transmission. Viruses can be transmitted horizontally 
(within a group of individuals or vertically (from mother 
to offspring). Vertical infection is either transovarial or by 
infection of the virus in utero (ascending or diaplacental).  
Portal of entry. The most important portals of entry for 
viruses are themucosa of the respiratory and 
gastrointestinal tracts. Intact epidermispresents a barrier to 
viruses, which can, however, be overcome through 
microtraumata (nearly always present) or mechanical 
inoculation (e.g., bloodsucking arthropods). 

 

Viral dissemination in the organism.  

There are two forms of infection: 

  Local infection. In this form of infection, the viruses 

spread only from cell to cell. The infection and manifest 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

251

 

disease are thus restricted to the tissues in the immediate 
vicinity of the portal of entry. Example: rhinoviruses that 
reproduce only in the cells of the upper respiratory tract. 

  Generalized infection. In this type, the viruses usually 

replicate to some extent at the portal of entry and are then 
disseminated via the lymph ducts or bloodstream and 
reach their target organ either directly or after infecting a 
further organ. When the target organ is reached, viral 
replication and the resulting cell destruction become so 
widespread that clinical symptoms develop. Examples of 
such infection courses are seen with enteroviruses that 
replicate mainly in the intestinal epithelium, but cause no 
symptoms there. 
Clinical symptoms in these infections first arise in the 
target organs such as the CNS (polioviruses, echoviruses) 
or musculature (coxsackie viruses). 
Another mode of viral dissemination in the 
macroorganism is neurogenic spread along the nerve 
tracts, from the portal of entry to the CNS (rabies), or in 
the opposite direction from the ganglions where the 
viruses persist in a latent state to the target organ (herpes 
simplex). 

 

Virus excretion 

Excretion of newly produced viruses depends on the 
localization of viral replication. For example, viruses that 
infect the respiratory tract are excreted in expired air 
(droplet infection). 
In generalized infections not only the target organ is 
involved in excretion, but that primary viral replication at 
the portal of entry also contributes to virus excretion (for 
example enteroviruses, which replicate primarily in the 
intestinal wall and are excreted in feces).  
It is important to know, patients are  contagious before 
they really become ill because excretion of new virus 
progeny precede the onset of illness.  

 

Persistent viral infections 

In most viral infections, the virus doesn’t remain in the 
body for a significant period after clinical recovery, but in 
certain instances, the virus persists for long periods either 
intact or in the form of subviral component (e.g.: the 
genome). 
There are three types of persistent viral infections: 

1)  Chronic carrier infection

: refers to people who produce 

virus for long periods of time and can serve as a source of 
infection for others.  

2)  Latent infections

: are those infections that are not 

producing virus at the present time but can be reactivated 

at subsequent time e.g latent infections that are associated 
with herpes simplex virus infection. 

3)  Slow virus infections

: refer to those diseases with a long 

incubation period often in years. Some are caused by 
virus (progressive multifocal leukoencephalopathy) , 
whereas others are caused by prions ( Creutzfeldt-Jakob 
disease). 
 

Evasion of host defenses: 

Viruses have several ways to evade host defense: 

1)  Some viruses encode the receptors for various mediators 

of immunity e,g: Vaccina virus encode protein that bind 
to IL-1. Fibroma virus encodes protein that binds to TNF. 
These virus encoded proteins called Cytokine decoy. 

2)  Human Iimmunodeficiency V, Herpes v, CMV reduce 

Class I MHC expression. 

3)  HIV,Epstein Barre V,Adeno v. synthesis RNAs that block 

phosphrylation of an initiation factor (eIF2) which reduce 
ability of INF to block viral replication 

4)  CMV encodes a micro RNA binds to mRNA of a cell 

surface ligand for NK cell. 

5)  Measles block IL-12. 
6)  virus has multiple antigenic type 

e.g Rhinovirus (100 serotype). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 9 أعضاء و 240 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل