BIOLOGIMOLEKUL VIRUS Emmy Hermiyanti L3J05027 PROGRAM PASCA SARJANA UNIVERSITAS PADJADJARAN BANDUNG
PENDAHULUAN Virus berbeda dengan agen penyebab infeksi lainnya dalam hal struktur dan biologi, khususnya reproduksi. Walaupun virus membawa informasi genetik didalam DNA atau RNA, tetapi ada kekurangan sistem sintesis yang diperlukan untuk memproses informasi ini kedalam materi virus baru. Replikasi baru terjadi setelah virus menginfeksi sel hospes yang kemudian mengendalikan sel hospes untuk melakukan transkripsi dan/atau translasi informasi genetik demi kelangsungan hidup virus.. Virus dapat menginfeksi setiap bentuk kehidupan sehingga sering menyebabkan penyakit yang diantaranya berakibat cukup serius. Beberapa virus dapat memasukkan informasi genetiknya kedalam genom manusia kemudian menyebabkan kanker. Target khemoterapi pada virus sangat sulit, untungnya dapat dikontrol dengan pemberian vaksin Struktur umum virus Ukuran virus bervariasi dari mulai yang paling kecil yaitu poliovirus: 30 nm sampai yang cukup besar yaitu vaccinia virus : 400nm, hampir seukuran dengan bakteri.
Mereka mempunyai organisasi yang berbeda pada kelompok yang berbeda, tapi pada umumnya mempunyai karakteristik seperti dibawah ini : Materi genetik, baik yang berbentuk single-strandad (ss) atau double-strandad (ds), linier atau sirkuler RNA atau DNA, berada didalam kapsul atau capsid yang terdiri dari molekul protein individu yang disebut capsomere. Unit lengkap dari asam nukleat dan capsid disebut nucleocapsid dengan bentuk yang simetris berbentuk icosahedral, helical atau complex. (gb.1) Dalam banyak kasus, partikel virus atau virion hanya terdiri dari nukleokapsid, sedangkan virus lain mempunyai envelope (amplop) atau membran yang menyelubungi (gb.2). Biasanya terdiri 2 lapisan lipid (lipid bilayer) yang berasal dari sel hospes yang mana protein dan glikoproteinvirus disisipkan.
Permukaan luar partikel virus adalah bagian yang pertamakali mengadakan kontak dengan membran dari sel hospes Hal yang penting untuk diketahui untuk dapat mengerti bagaimana proses virus dapat menginfeksi sel hospes adalah dengan mempelajari struktur dan fungsi dari permukaan luar partikel virus. Secara umum, virus yang tidak beramplop (virus yang telanjang) resisten hidup dialam bebas; bahkan mereka tahan terhadap asam empedu saat menginfeksi saluran cerna. Virus yang beramplop lebih rentan terhadap dipengaruhi oleh lingkungan seperti kekeringan, asiditas cairan lambung dan empedu. Perbedaan dalam hal kerentanan ini yang mempengaruhi cara penularan virus. INFEKSI DARI SEL HOSPES Tahapan dari infeksi sel hospes dapat dilihat pada gb 3a dan 3b.
Rute virus masuk kedalam tubuh Partikel virus memasuki sel hospes melalui banyak cara Cara yang apaling banyak dijumpai dalam penularan virus (gb.4) Via inhalasi droplet (rhinovirus) Melalui makanan atau minuman (hepatitis A) Transfer langsung dari sel hospes yang terinfeksi (virus HIV) Gigitan vector antropoda ( yellow fever) Virus memperlihatkan adanya spesifikasi yang didasari atas kemampuannya menempel pada sel hospes Seperti semua agen patogen, virus biasanya hanya menginfeksi hanya satu atau beberapa spesies saja dari sel hospes. Dasar dari spesifikasi virus adalah kemampuannya menempel pada sel hospes.
Proses penempelan atau adsorbsi oleh sel hospel pertama-tama tergantung pada operasional dari seluruh kekuatan intermolekuler. Lebih spesifik lagi yaitu adalnya interaksi antara molekul dari nukleokapsid atau membran virus dengan molekul dari membran sel hospes. Dalam banyak kasus terdapat interaksi yang spesifik dengan sel hospes melalui reseptor. Sebagai contoh misalnya virus influenza, hemaglutininnya menempel dengan glikoprotein (asam sialak) yang terdapat pada sel mukus membran, sel darah merah. Contoh lain dapat dilihat pada Gb.5. Penempelan pada reseptor kemudian diikuti dengan masuknya virus kedalam sel hospes.
Sekali virus berada didalam sitoplasma sel hospes maka dia tidak infeksius lagi Setelah terjadi fusi antara virus dan membramn sel hospes, atau difagosit dalam bentuk fagosome, maka partikel virus dibawa ke sitoplasma melalui plasma membran. Pada tahap ini amplop dan/atau kapsid akan terkuak nukleus virus akan terurai. Sekarang virus tidak infeksius lagi dan ini disebut eclipse phase. Keadaan ini menetap sampai terbentuk partikel virus baru melalui replikasi. Asam nukleat sendiri yang menentukan bagaimana cara replikasi berlangsung. Pertama-tama virus harus membentuk mesenger RNA (m RNA) Virus hanya mempunyai salah satu asam nukleat yaitu RNA atau DNA; tidak pernah keduaduanya.. Asam nukleat tampil sebagai single atau double strandad dalam bentu linier (DNA dan RNA) atau sirkuler (DNA). Genom dari virus terdapat dalam satu atau beberapa molekul dari asam nukleat. Dengan diversitas ini maka tidak heran bila proses replikasi dari tiap virus berbeda. Pada virus DNA, m RNA dapat dibentuk sendiri oleh virus dengan cara menggunakan RNA polimerase dari sel hospes, kemudian langsung mentranskrip kode genetik yang berada pada DNA virus. Sedangkan virus RNA tidak dapat dengan cara ini, karena tidak ada polimerase dari sel hospes yang sesuai. Oleh karena itu untuk melakukan transkripsi maka virus harus menyediakan sendiri polimerasenya yang dapat diperoleh dari nukleokapsid atau disintesa setelah infeksi.. Virus RNA memproduksi mrna dengan beberapa cara yang berbeda Pada virus dsrna, satu strand yang pertama ditranskrip oleh polimerase virus menjadi mrna (Gb.6).
Pada ssrna terdapat tiga rute yang jelas berbeda dalam pembentukan mrna yaitu ; Bila single strand mempunyai konfigurasi positive sense (misalnya mempunyai sekuense basa yang sama seperti yang dibutuhkan pada saat translasi), maka konfigurasi ini dapat langsung dipergunakan sebagai mrna. Bla mempunyai konfigurasi negative sense, maka pertama-tama harus diterjemahkan (transcribe) dengan memgunakan polimerase dari virus kedalam positive sense strand yang kemudian bertindak sebagai mrna Retrovirus mempunyai pola yang sama sekali berbeda. Pertama-tama positive sense ssrna oleh reverse transcriptase (enzim dari virus, terdapat dalam nukleokapsid) menjadi negative sense ssdna. Setelah terbentuk dsdna kemudian akan memasuki nukleus dan kemudian berintegrasi dengan genom sel hospes dan selanjutnya sel hospes membentuk mrna virus.
mrna virus kemudian ditranslasi kedalam sitoplasma sel hospes untuk menghasilkan protein yang dibutuhkan virus. Sekali mrna virus terbentuk maka akan ditanslasi dengan memanfaatkan ribosom dari sel hospes untuk mensintesa protein yang dibutuhkan virus (gb. 7). RNA virus biasanya monocistronic (mempunyai single coding region) dapat mengubah mrna dari ribosom sel hospes untuk menghasilkan protein yang lebih disukai. Pada fase awal diproduksi protein yang diperlukan untuk replikasi asam nukleat virus seperti enzim dan molekul regulator. Pada fase selanjutnya diproduksi protein yang penting unutk pembentukan kapsid. Virus dengan genom single nucleic acid molecule mentranslasi poli protein yang multifungsi, kemudian akan dipecah secara enzimatik. Sedangkan virus yang genomnya tersebar didalam beberapa molekul, maka akan terbentuk beberapa macam mrna yang masing-masng akan membuat protein.setelah translasi protein dapat diglikosilasi kembali dengan menggunakan enzim sel hospes.
Virus juga harus me replikasi asam nukleatnya Untuk pembentukan kapsid baru berarti memerlukan produksi molekul tambahan. Oleh karena itu virus harus mereplikasi asam nukleat sehingga dapat menyediakan materi genetik yang kemudian akan dibungkus oleh kapsid tersebut. Pada virus positive sense ssrna seperti poliovirus, polimerase yang ditranslasi dari template mrna virus menghasilkan negative sense RNA yang selanjutnya ditranskripsi lebih banyak positive ssrna. Siklus transkripsi ini terus berlangsung menghasilkan strand positif dalam jumlah yang besar, yang kemudian dikemas dengan menggunakan protein yang telah dibentuk sebelumnya dari mrna untuk membentuk partikel virus yang baru. Untuk virus negative sense ssrna (mis. virus rabies) transkripsi oleh polimerase virus akan menghasilkan positive sense ssrna yang kemudian akan meghasilkan negative sense mrna yang baru. (Gb. 8). Replikasi ini terjadi dalam sitoplasma sel hospes, sedangkan pada virus lainnya seperti campak dan influensa replikasi terjadi di inti sel sehingga sejumlah besar negative sense RNA akan ditranskripsi membentuk partikel baru. Replikasi pada inti sel hospes juga terjadi pada virus dsrna seperti rotavirus yang kemudian akan memproduksi positive sense RNA seperti diatas. Yang g kemudian akan bertindak sebagai template pada partikel subviral untuk memsintesa negative sense RNA yang baru guna memperbaiki kondisi double stranded.
Replikasi virus DNA terjadi di inti sel hospes kecuali poxvirus yang terjadi di sitoplasma Virus DNA membentuk kompleks dengan histon dari sel hospes untuk menghasilkan struktur yang stabil. Pada virus herpes, mrna ditranslasi dalam sitoplasma menghasilkan polimerase DNA yang penting untuk sintesa DNA yang baru. Adenovirus menggunakan baik enzim dari sel hospes maupun virus untuk kepentingan ini. Sedangkan retrovirus mensintesa RNA virus baru di inti sel hospes. Polimerase RNA sel hospes ditranskrip dari DNA virus yang sudah berintegrasi dengan genom sel hospes. (Gb.6). Virus hepatitis B (suatu virus ds DNA) secara unik menggunakan ssrna (sebagai perantara) yang kemudian ditranskrip untuk menghasilkan DNA baru. Retrovirus dan virus hepatitis B merupakan virus-virus yang mempunyai aktifitas reverse transkriptase. Stadium akhir dari replikasi adalah penyusunan dan pelepasan parikel virus baru Penyusunan virus baru melibatkan gabungan dari asam nukleat yang telah direplikasi dengan kapsomer yang baru disintesa untuk kemudian membentuk nukleokapsid baru. Aktifitas ini terjadi di sitoplasma atau di inti sel hospes. Amplop dari virus melalui beberapa tahapan sebelum dilepaskan. Protein amplop dan glikoprotein yang ditranslasi dari mrna virus didisipkan pada membran sel hospes (biasanya membrana plasma). Nukleokapsid yang muda ini bergabung dengan membran secara spesifik melalui glikoprotein dan menbentuk tonjolan. (gb. 3.9). Virus baru memerlukan membran dari sel hospes ditambahadenganmolekul dari virus untuk membentuk amplop. Enzim dari virus seperti muraminidase pada virus influensa ikut berperan dalam proses ini. Enzim dari sel hospes (seperti protease seluler)dapat memecah protein amplop yang besar, suatu proses yang diperlukan dimana virus muda sangat infeksius. Pada virus herpes terjadi proses yang sama. Pelepasan virus yang sudah beramplop tidak harus disertai dengan kematian sel, jadi sel hospes yang sudah terinfeksi dapat terus menghasilkan protein virus dalam waktu yang lama. Insersi molekul virus kedalam membran sel hospes membuat sel hospes berbeda secara antigenik. Respon imun ekspresi antigen ini yang menjadi dasar perkembangan terapi anti virus.
DAMPAK INFEKSI VIRUS Infeksi virus dapat mengakibatkan sel menjadi lisis, persisten atau laten Pada suatu infeksi yang lytic seperti pada virus polio dan influensa, virus memasuki siklus replikasi, memproduksi banyak partikel virus baru. Kemudian dilepaskan dengan cara
melisiskan sel. Sedangak virus hepatitis B melakukan cara lain yaitu dengan dimana selhospes tetap hidup dan terus melepas partikel virus secara lambat. Keadaan ini yang disebut persisten, dan mempunyai kepentingan besar secara epidemiologik, oleh karena individu yang terinfeksi bisa menjadi karier yang asimptomatis sementara itu tetapmenjadi sumber infeksi. Pada infeksi tipe liytic dan persisten virus tetap berreplikasi, sedangkan pada tipe laten virus tetap inaktif, dan material genetik dari virus dapat: Tetap ada dalam sitoplasma sel hospes (herpes virus) Bergabung kedalam genom (retrovirus) Replikasi tidak akan terjadi sampai suatu sinyal mencetuskan pelepasan dari keadaan laten. Bagaimana stimuli sampai tercetus sehingga menghasilkan sinyal belum banyak dimengerti. Pada infeksi virus herpes simplex, keadaan stres dapat mengaktifkan virus sehingga infeksi aktif kembali. dan terlihat sebagai luka-luka didekat mulut. Pada HIV, stimulasi yang bersifat antigenik dapat diartikan sebagai sinyal yang kemudian mengaktifasi virus. Beberapa virus dapat mengubah sel hospes menjadi tumor atau sel kanker Proses infeksi yang bersifat litik, persisten atau laten melibatkan sel hospes yang seara esensi masih tampak normal, walaupun metabolik dan proses regulasi sudah sangat terganggu. Bahkan beberapa virus dapat mengubah sel hospes menjadi sel tumor atau sel kanker. Perubahan ini tampak secara morfologi, perilaku sel dan biokimia. Sel kehilang kontrol pertumbuhan dan inhibisi kontak sehingga sel terus membelah dan beragregasi. Mereka bersifat invasif dan bila disuntikkan pada binatang percobaan dapat membentuk tumor. Tidak semua sel tumor tumbuh dengan cepat secara invivo, seperti misalnya pada wart dengan pertumbuhan yang lambat sebagai akibat infeksi papovavirus. Kanker yang diinduksi oleh infeksi virus dapat berasal dari virus DNA atau RNA. Termasuk didalamnya the human T cell lymphotropic viruses 1 and 2, Epstein-Barr virus, papillomavirus 16 dan 18, serta hepatitis virus B. Walaupun hasil akhir dari transformasi dapat mirip antara satu sama lain, tetapi mekanissme yang terlibat dari tiap virus berbeda. Walaupun begitu semua transformasi melibatkan hal2 yang mempengaruhi normal regulasi dari pembelahan sel dan respon terhadap external growth promoting dan growth inhibiting factor. Perubahan ini terjadi sesaat setelah virul yang bereplikasi di intisel bergabung dengan genomsel hospes. Sebagai contoh pada Rous sarcoma virus, suatu retrovirus yang menyebabkan kanker pada ayam.transformasi muncul saat introduksi viral oncogen yaitu gen src kedalam genom sel hospes. Ini adalah kode enzim tyrosin-spesific protein kinase yang terlibat dalam fosforilasi residu tirosin dalam target protein. Beberapa growth regulating factor beberja melalui reseptor membran yang spesifik yang mempunyai aktifitas tyrosin-spesific protein kinase. Adanya peningkatan aktifitas regulasi ini disebabkan oleh karena hilangnya kontrol normal pertumbuhan sel hospes. Saat ini diketahui lebih dari 20 jenis retrovirus yang bersifat onkogen (Gb.3.10). Dari famili retrovirus hanya HTLV 1 dan 2 yang merupakan paling penting sebagai penyebab kanker pada manusia. Paradoksnya virus ini bukan merupakan virus onkogen dan tidak pula mempunyai aktifitas langsung yang bersifat onkogen seluler. Retrovirus lain diketahui menyebabkan kanker pada binatang.
Onkogenitas virus mungkin berkembang saat penggabungan onkogen sel hospes kedalam genom virus waktu replikasi. Onkogenitas suatu sel mempunyai simbol dengan singkatan pendek yaitu v bila yang dimaksud viral onkogen (mis. v-myc), atau c untuk celluler (host) onkogenes ( mis. c-myc). Probe DNA yang terbentuk dari kopi onkogen src virus Rous sarcoma menunjukkan adanya komplimentari dari DNA baik dari sel pada ayam yang normal maupun yang terinfeksi seperti juga yang terjadi pada sel kanker dan sel normal manusia. Penemuan ini diikuti dengan penemuan sekuens onkogen retrovirus, dimana saat ini dari genom manusia dibentuk sekuens onkogen sebanyak 0.03%-0.3%. Sekuens onkogen ini telah diidentifikasi pada berbagai jenis binatang, manusia sampai lalat buah.
Mana yang lebih dulu muncul? Onkogen virus atau sel hospes? Faktanya onkogen sel hospes berisi intron, sedangkan onkogen virus tidak. Posisi kromosom virus juga tetap, sehingga ini merupakan implikasi bahwa sel hospes lah yang merupakan asal gen tersebut. Sekarang kita mengetahui bahwa dari produk onkogen virus kita dapat memperkirakan onkogen seluler (protoonkogen) mana yang mungkin memainkan peranan penting dalam regulasi pertumbuhan sel hospes. Mereka mengkode growth factor mereka sendiri, molekul reseptor cell surface yang berikatan dengan growth factor yang spesifik, sistem sinyal komponent intraseluler dan DNA binding protein yang bertindak dalam proses transkripsi. Src onkogen dari virus Rous sarcoma bergabung didalam genom virus bekerja sama dalam mengkode gene untuk membentuk protein amplop (Gb.3.11). Tidak seperti virus lain yang kuat daya transformasinya virus Rous mempunyai 3 gene (gag, plo dan env) yang penting untuk replikasi. Pada virus lain terdapat defective transforming viruses yaitu suatu gabungan antara hasil onkogen dari delesi material genetik dalam pengkodean regio untuk gen pol dan/atau env, yang kerjanya akan menghambat replikasi. Onkogenitas dapat dibawa dari sel ke sel lainnya dalam hospes yang sama atau dari hospes satu ke hospes lain. Contohnya melalui transmisi vertikal misalnya dari ibu ke bayi melalui gamet, plasenta atau ASI. Atau dapat juga terjadi melalui transmisi horisontal yaitu dari saliva dan urine. Transformasi sel terjadi pada ; Saat onkogen virus bergabung ke dalam genom sel hospes ( seperti pada virus Rous) Saat DNA virus melakukan insersi dekat dengan onkogen seluler. Keadaan ini didahului oleh adanya mutasi dari sekuens onkogen dalam genom virus. Perlu diingat bahwa perubahan satu basa saja dapat mengubah kemampuan transformasi yang normal dari sel. Akhirnya akan tampak gangguan ekspresi dari onkogen sel hospes melalui pengaruhnya pada gangguan regulasi normal. Gangguan ekspresi dapat terjadi pada insersi dari onkogen atau non onkogenikvirus DNA, dapat juga terjadi akibat pajanan zat-zat karsinogen. Secara normal produk seluler onkogen dipergunakan untuk meregulasi proliferasi dengan kontrol yang ketat. Produk virus onkogen atau ekspresi berlebihan dari onkogen seluler atau beban berlebih dari kompleks sistem pengawasan akan menghasilkan pembelahan sel yang tidak terkendali
GRUP UTAMA DARI VIRUS Klasifikasi virus menjadi grup utama (famili) didasarkan atas beberapa kriteria sederhana (Gb. 3.12 dan dan parade patogen). Tipe asam nukleat dalam genom Jumlah strand asam nukleat dan polaritasnya Model replikasi Ukuran, struktur dan simetrisitas dari pertikel virus.
Kepustakaan Mims C, Dockrel HM, Goering RV, Roitt I, Wakelin D, Zuckerman M dalam. Medical Microbiology.Edisi ke-tiga ;Elsevier Mosby, Edinburgh (2004) hal 29-35.