שיעור 1 וירולוגיה מבוא לוירולוגיה

תוכן עניינים:

1. האם וירוס הוא יצור חי?
2. היסטוריה של חקר הנגיפים
3. מבנה הנגיף
4. מחזור חיים של וירוס - דוגמה: SV40
5. תכונות משותפות לכל הווירוסים
6. סיווג בולטימור (Baltimore Classification)
7. DNA לעומת RNA - יציבות והשלכות
8. אבולוציה ויראלית
9. חיטוי והשמדת וירוסים
10. Virion לעומת Virus - ההבדל המהותי
11. סיווג וירוסים - קריטריונים
12. מגיפות עכשוויות - דוגמת Oropouche Virus
13. וירוסים לא תמיד רעים
14. שאלות לבדיקה עצמית

האם וירוס הוא יצור חי?

השאלה הזו פותחת את הקורס ומלווה אותו לכל אורכו. התשובה הקצרה היא לא - יצור חי מוגדר ככזה שיש לו מטבוליזם ויכולת התרבות עצמאית, ווירוס אינו עומד בלפחות אחד מהקריטריונים הללו. בשיעור הזה נראה מדוע, ולמרות זאת - מדוע וירוסים הם בין היצירות הביולוגיות המורכבות והמרתקות ביותר בטבע.

משאבים נוספים ללימוד עצמי

• This Week in Virology (TWiV) - פודקאסט ובלוג עם ראיונות שבועיים עם וירולוגים על מחקרים חדשים, כולל פודקאסט רפואי על מגיפות.

• Virology Blog - חדשות עדכניות בתחום הווירולוגיה.

• אתר פרופ’ ג’וני דירשוני - מאגר וירולוגים בישראל; ניתן לחפש לפי אוניברסיטה או לפי וירוס.

היסטוריה של חקר הנגיפים

עדויות עתיקות ומחלות היסטוריות

Smallpox - אבעבועות שחורות

עדויות ל-Smallpox קיימות כבר מלפני 3,500 שנה. מדובר במחלה שבה הווירוס מתרבה בגוף ללא סימנים חיצוניים בימים הראשונים, ואז מופיעות שלפוחיות על העור שבסופו של דבר מתייבשות ונופלות - ומשאירות צלקות, ולעיתים אף גורמות לעיוורון. הנתון המזעזע: 30% מהנדבקים מתו, ובמאה ה-20 לבדה כ-300 מיליון איש נפטרו מהמחלה.

🟢 Variolation - החיסון המוקדם (סין, המאה ה-11). השיטה הייתה פשוטה ומסוכנת בו-זמנית: לקחו חומר משלפוחיות של חולה, שרטו את העור של אדם בריא, והקווה הייתה שההדבקה המקומית דרך העור לא תגרום למחלה מערכתית מלאה. התוצאות: 90% קיבלו חסינות, אך 10% חלו - ומתוכם 30% מתו. כלומר התמותה הכוללת ירדה מ-30% ל-3%. לא אידיאלי, אבל הרבה יותר טוב ממה שהיה.

לידי מרי וורטלי מונטגו, אשת השגריר הבריטי במזרח, נחשפה לשיטה הזו והביאה אותה לאירופה.

🟢 Edward Jenner והמצאת החיסון (1796). ג’נר שם לב שכפריים שעובדים עם פרות לא חלו ב-Smallpox. לפרות הייתה מחלה דומה עם שלפוחיות על העור (Cowpox), והרעיון היה שהכפריים נדבקו מהפרות וקיבלו חיסון טבעי. ג’נר לקח את הווירוס מהפרות, שרט את העור של אנשים, והכניס להם את הווירוס - וזה עבד. זה היה החיסון הראשון בהיסטוריה. Smallpox נשאר הווירוס היחיד עד היום שהוצא מהעולם לחלוטין: ב-1980 ארגון הבריאות העולמי הכריז על חיסולו. לצערנו, עם וירוסים אחרים לא הצלחנו להשיג תוצאה דומה.

Rabies - כלבת

מחלה ידועה כבר 4,000 שנה מכתבים עתיקים, וחשובה לרפואה עד היום. הווירוס מגיע דרך נשיכה, נכנס לגוף, ומתחיל להתקדם לכיוון המוח - מבלי להתרבות בדרך. ברגע שהגיע למוח מופיעות תופעות קליניות, אבל מאותו רגע אין דרך חזרה - גם היום, ב-2025, הגעת הווירוס למוח היא פסק דין.

המטרה היא מניעה. לואי פסטור פיתח חיסון פסיבי: הזריק את הווירוס לארנבות, אסף מהדם שלהן נוגדנים, ומי שנישך קיבל הזרקת נוגדנים. היעילות גבוהה מאוד - בתנאי שהטיפול ניתן לפני שהווירוס הגיע למוח.

פריצות דרך מדעיות

הפילטר של Chamberland (1884) - פילטר עם נקבים כל-כך קטנים שחיידקים לא עוברים. זה אפשר לראשונה לסנן נוזלים ולקבל תמיסה נקייה מחיידקים.

Tobacco Mosaic Virus - TMV (1892) - אדולף מאייר ודמיטרי איבנובסקי הבחינו בכתמים על עלי טבק. הם טחנו עלים נגועים, העבירו את התמיסה דרך פילטר שחיידקים לא עוברים, והדביקו צמח בריא - והכתמים עברו. המסקנה: הגורם למחלה קטן מחיידק. קראו לו “וירוס”, שפירושו “רעל” בלטינית.

Polio וריאת הברזל - בשנות ה-50 מגיפות פוליו פקדו שכונות בקיץ. ילדים שנדבקו איבדו פתאום את יכולת ההליכה. ריאת הברזל הייתה מכשיר שהפעיל את בית החזה מבחוץ, כי שרירי הנשימה לא תפקדו. הפריצה הגיעה ממיפוי: כל השכונות הנגועות קיבלו מים מאותו מקור - והמים היו מזוהמים בווירוס.

המיקרוסקופ האלקטרוני - וירוסים קטנים מאורך הגל של אור נראה, ולכן אי-אפשר לראותם במיקרוסקופ אור רגיל. רק עם המצאת המיקרוסקופ האלקטרוני ניתן היה לראות וירוסים לראשונה.

מבנה הנגיף

זיהוי החומר הגנטי

ניסוי מכונן בווירולוגיה: פירקו את TMV לשני מרכיביו - חלבונים וחומצת גרעין. כשהדביקו עלים רק בחלבונים, לא הייתה הדבקה; כשהדביקו רק בחומצת גרעין - כן הייתה הדבקה. השלב הבא: טיפול באנזים RNase (שמפרק RNA) ביטל את ההדבקה, בעוד DNase (שמפרק DNA) לא השפיע. המסקנה: החומר הגנטי של TMV הוא RNA - שלא כמו בכל היצורים החיים שבהם החומר הגנטי הוא DNA.

ניסוי ה-Reconstitution חיזק את הממצא: לקחו שני זני TMV עם פאטרן כתמים שונה (A ו-B), פירקו כל אחד, והרכיבו וירוס היברידי מחלבון A ו-RNA של B. כשהדביקו עלים - הפאטרן היה של B. כלומר ה-RNA הוא שקובע את התכונות.

רכיבי הנגיף

Capsid (קפסיד) - קופסה חלבונית סימטרית שעוטפת את הגנום. מורכבת מיחידות חוזרות של חלבון אחד או מספר חלבונים. האינטראקציות בין היחידות הן לא-קוולנטיות - כדי שהווירוס יוכל גם להיסגר ולהגן על הגנום, וגם להיפתח כשמגיע לתא חדש. כשהקפסיד מכיל בתוכו חומצת גרעין, הוא נקרא Nucleocapsid.

Envelope (מעטפת) - שכבת שומנים שמקיפה את הקפסיד. הנקודה המרכזית: הווירוס לא מייצר מעטפת - הוא “גונב” אותה מממברנת התא המודבק. אבל בתוך אותה מעטפת שזורים חלבונים ויראליים (כמו חלבון ה-Spike של הקורונה), שהם אלו שמערכת החיסון “רואה”. לא לכל הווירוסים יש מעטפת - יש כאלה שמסתדרים בלעדיה.

שכבת ביניים - בחלק מהווירוסים יש שכבה בין הקפסיד למעטפת: אם היא מסודרת היא נקראת Matrix, ואם היא אמורפית - Tegument.

דוגמאות למבנים

הוירוסים מגוונים מאוד במבנה: Bacteriophage הוא וירוס מורכב עם ראש, זנב ורגליים שמדביק רק חיידקים; TMV הוא בצורת מקל מוארך; HIV הוא כדורי עם קפסיד בצורת קונוס עטוף במעטפת; ו-Herpesvirus הוא וירוס גדול עם מעטפת, טגומנט וקפסיד.

גודל

רוב הווירוסים נעים בין 20 ל-300 ננומטר - קטנים בהרבה מחיידקים (שהם בסדר גודל של מיקרון). אבל קיימים Giant Viruses שמדביקים אמבות: ה-Mimivirus, למשל, גדול כמו חיידק, גנום שלו (2.5 מיליון זוגות בסיסים) גדול יותר מגנום של חיידקים רבים, והוא מקודד לכ-2,500 חלבונים. אפשר אפילו לראות אותו במיקרוסקופ אור רגיל.

יחס זיהומיות

לא כל הווירונים שנוצרים הם בעלי יכולת הדבקה. בשפעת, למשל, רק כ-10% מהווירונים אינפקטיביים; בהרפס - רק אחד מכל אלף. הווירוס מפצה על כך בייצור כמויות עצומות - מעין “הפצצה” בווירונים שמבטיחה שמספיק מהם יצליחו.

מחזור חיים של וירוס - דוגמה: SV40

הדוגמה של SV40 ממחישה עיקרון מרכזי: הווירוס לא מביא כלום חדש - הוא מגייס מערכות קיימות.

התהליך: DNA הוירוסי נכנס לגרעין התא → התא אורז אותו בנוקלאוזומים (בדיוק כמו DNA תאי) → RNA polymerase תאי מבצע טרנסקריפציה → ה-RNA יוצא לציטופלזמה ומתורגם לחלבון ויראלי ← אותו חלבון חוזר לגרעין ← משנה את מערכת הטרנסקריפציה כך שתייצר חלבונים ויראליים נוספים ותשכפל את הגנום ← הקפסידים נבנים, הגנום נארז, ויריונים חדשים משתחררים.

הנקודה: הווירוס מגייס את מערכת הטרנסקריפציה ואת מערכת הרפליקציה של התא - גם לביטוי הגנים שלו וגם להכפלת הגנום.

תכונות משותפות לכל הווירוסים

טפילות מוחלטת (Obligate parasites) - הווירוס תלוי לחלוטין בתא כדי להתרבות. ללא תא מאכסן, הוא חלקיק אינרטי.

גודל קטן ומידע גנטי מצומצם - לבן אדם יש 21,000 גנים ו-3 מיליארד בסיסים; לווירוס רגיל יש 2–200 גנים ו-2,000–300,000 בסיסים. למרות הגודל הזעיר, מספיק לו 2,000 בסיסים כדי לייצר וירוס מתרבה.

גנום RNA או DNA - לא שניהם - שלא כמו כל היצורים החיים שהחומר הגנטי שלהם הוא תמיד DNA.

מבנה פשוט אך ביולוגיה מורכבת - למרות שהמבנה הפיזי פשוט יחסית (מעטפת, קפסיד, חומצת גרעין), הווירוסים מפגינים מורכבות עצומה ביכולתם לשחק עם מערכות תאיות ולגייס אותן לצרכיהם. כל הזמן מגלים שכבות חדשות של מורכבות.

שלושה דברים שווירוסים לא מייצרים

סיווג בולטימור (Baltimore Classification)

התמונה מתוך virology.ws

הסיווג מבוסס על עיקרון אחד: כל וירוס חייב לייצר mRNA כדי שהריבוזומים יתרגמו אותו לחלבונים. השאלה היא: איך כל סוג של גנום מגיע ל-mRNA?

תזכורת:

• RNA+ (פלוס) = mRNA = קריא ישירות על-ידי ריבוזומים.
• RNA- (מינוס) = הגדיל המשלים, לא קריא ישירות.

Class I - dsDNA → mRNA

מערכת הטרנסקריפציה התאית יודעת לעבוד עם dsDNA, אז אין בעיה. דוגמאות: Herpesvirus, Adenovirus.

Class II - ssDNA → dsDNA → mRNA

קודם התא משלים את הגדיל החסר ליצירת dsDNA, ואז מתבצעת טרנסקריפציה רגילה. דוגמאות: Parvovirus.

Class III - dsRNA → (+)RNA

הריבוזום לא יודע לתרגם dsRNA - צריך ליצור (+)RNA מתבנית ה-(-)RNA.

דוגמאות: Reovirus.

Class IV - (+)ssRNA

ה-RNA+ יכול לשמש ישירות כ-mRNA, אבל הכמות לא מספיקה. לכן הווירוס מייצר (-)RNA כתבנית, וממנו מייצר כמויות גדולות של (+)RNA.

דוגמאות: Poliovirus, Coronavirus.

Class V - (-)ssRNA → (+)RNA

ה-RNA- אינו קריא; צריך ליצור ממנו (+)RNA שישמש כ-mRNA.

דוגמאות: Influenza, Measles.

Class VI - Retroviruses: (+)RNA → DNA → mRNA

שלושה שלבים:

1. RNA הופך ל-ssDNA (Reverse transcription),
2. ssDNA הופך ל-dsDNA,
3. ומ-dsDNA מתבצעת טרנסקריפציה רגילה ליצירת mRNA.

ה-mRNA שנוצר הוא (+)RNA - כי מערכת הטרנסקריפציה התאית היא שמייצרת אותו. דוגמאות: HIV.

Class VII - Partially dsDNA → dsDNA → mRNA

הגנום הוא dsDNA חלקי. מערכת התיקון התאית משלימה אותו ל-dsDNA מלא, ואז אפשר לבצע טרנסקריפציה. דוגמאות: Hepatitis B.

DNA לעומת RNA - יציבות והשלכות

DNA יציב יותר מ-RNA, ו-dsDNA יציב יותר מ-ssDNA. לכן גנומים של RNA מוגבלים בגודל (עד כ-40,000 בסיסים), בעוד וירוסי dsDNA יכולים להיות הרבה יותר גדולים (כמו Herpesvirus ו-Poxvirus).

בחיידקים רוב הווירוסים הם בעלי גנום DNA; בצמחים הרבה מאוד וירוסים הם בעלי גנום RNA.

אבולוציה ויראלית

וירוסים כמכונות דרוויניסטיות

אורגניזמים צריכים דורות רבים כדי לעבור שינויים משמעותיים, אבל מחזור החיים של וירוס נמשך ימים בודדים - ולכן קצב האבולוציה שלו מהיר עד להפתעה.

יתרה מכך, בוירוסי RNA אין מנגנון תיקון (proofreading). הפולימרז מכניס מוטציות בכוונה - וזה יתרון, לא חיסרון. כל מחזור שכפול מייצר גיוון גנטי שמאפשר לווירוס לחמוק ממערכת החיסון.

דוגמה קלאסית - שפעת: אנחנו מייצרים נוגדנים נגד חלבוני מעטפת השפעת, אבל הם משתנים כל הזמן. לכן אנחנו נדבקים שוב ושוב, ולכן צריך חיסון שפעת חדש כל שנה.

מעבר למאכסן חדש - דוגמת COVID-19

כשווירוס עובר למאכסן חדש (Zoonosis), קורים שני דברים מקבילים:

בהתחלה - הווירוס לא מותאם למאכסן החדש. הוא לא עובר ביעילות בין בני אדם, אבל הוא גורם למחלה קשה מאוד. במקרה של SARS-CoV-2, הווירוס גרם לחיבור (fusion) של תאי ריאה אחד לשני, יצירת בצקת, וחנק.

עם הזמן - הלחץ האבולוציוני פועל: וירוס שהורג את המאכסן מהר לא מספיק להתפשט; וירוס שגורם למחלה קלה מאפשר למאכסן להמשיך לתפקד ולהדביק אחרים. לכן האבולוציה מובילה לווירוס שעובר טוב יותר בין אנשים אבל גורם למחלה קלה יותר. COVID-19 של היום כמעט לא דומה לזה של ההתחלה - הוא עבר מוטציה בחלבון ממברנה שביטלה את יכולת ה-Fusion.

💡 העיקרון: המטרה של הווירוס היא לעבור ממאכסן למאכסן - לא להרוג. מוות של המאכסן הוא תוצאת לוואי, לא מטרה.

למה בכל זאת קיימים וירוסים קטלניים?

אם האבולוציה מובילה לוירוס “עדין” יותר, למה יש וירוסים שהורגים?

• מעבר טרי בין מאכסנים - בשלבים הראשונים, לפני שהתרחשה התאמה.
• דרך הדבקה שלא תלויה בחיי המאכסן - כלבת עוברת דרך נשיכה: אפילו אם החולה מת, הווירוס כבר הדביק. באותו אופן, וירוסים שעוברים דרך יתושים (Vector) לא תלויים בחיי החולה.
• אנשים מדוכאי חיסון - אצלם הווירוס שוהה חודשים, מתרבה כל הזמן, וצובר מוטציות. כך נוצרים ווריאנטים חדשים - וזה בדיוק מה שקרה עם הווריאנטים החדשים של COVID-19.

חיטוי והשמדת וירוסים

כדי להבין חיטוי, צריך לזכור את שלושת המרכיבים של הווירוס: מעטפת שומנית, קפסיד חלבוני, וחומצת גרעין.

• סבון פועל על שומנים - ולכן יעיל נגד וירוסים עם מעטפת. הוא פשוט מפרק את המעטפת השומנית.

• אלכוהול (70%) משפיע גם על המעטפת וגם על מבנה החלבונים (דנטורציה), ולכן יעיל גם נגד וירוסים ללא מעטפת - כי הוא פוגע בקפסיד.

• אקונומיקה (0.1%) ו-מי חמצן - שניהם מחמצנים חזקים שפוגעים גם בחלבונים וגם בחומצת גרעין. אבל הם דורשים לפחות 10 דקות של מגע עם המשטח כדי להשפיע. חשוב: לשימוש על משטחים בלבד - לא לשתייה.

Virion לעומת Virus - ההבדל המהותי

ההבחנה הזו חשובה מאוד:

• Virion הוא חלקיק הווירוס מחוץ לתא - אינרטי לחלוטין, לא עושה דבר, “מולקולה ביולוגית” סבילה.
• Virus הוא מה שקורה בתוך תא מודבק - המערכת הפעילה שמשתלטת על התא ומייצרת עותקים חדשים.

סיווג וירוסים - קריטריונים

• לפי מאכסן: וירוסי חיידקים (Bacteriophages), וירוסים של צמחים, בעלי חיים, פטריות ואורגניזמים חד-תאיים.

  העיקרון: אין יצור חי על פני כדור הארץ שאין לו וירוס שיכול להדביק אותו. ובמקביל, וירוסים הם ספציפיים מאוד - פאג’ שמדביק חיידקים לא ידביק בן אדם.

קריטריונים נוספים: סוג הגנום (DNA/RNA, חד/דו-גדילי), סימטריה של הקפסיד (Icosahedral או Helical), נוכחות מעטפת, גודל, טווח מאכסנים, ופתוגנזה.

מגיפות עכשוויות - דוגמת Oropouche Virus

מאמר ב-Science (2024) תיאר התפרצות של וירוס Oropouche בברזיל. שני וירוסים שונים, שלא גרמו למחלה בבני אדם, הדביקו את אותו מאכסן. הגנום שלהם מורכב משלושה סגמנטים, והסגמנטים התערבבו - ונוצר וירוס חדש שגורם למחלה בבני אדם.

התסמינים (חום, כאבי ראש, כאבי פרקים) דומים למחלות רבות - כי מדובר בתגובה כללית של הגוף. במקרים חמורים: דלקת מוח, נזק נוירולוגי, מוות. נשים בהריון שנדבקו ילדו תינוקות עם מיקרוצפליה (מוח קטן מהרגיל). הריסוס שנעשה בשטח מכוון נגד היתוש (ה-Vector) ולא נגד הווירוס עצמו.

וירוסים לא תמיד רעים

פאג’ תרפיה - וירוסים נגד חיידקים

אנטיביוטיקה הורגת חיידקים באופן רחב, כולל את הפלורה המועילה. Bacteriophages, לעומת זאת, ספציפיים - אפשר לתכנן פאג’ שיהרוג רק סוג חיידק מסוים.

וירוסים באוקיאנוסים - מנוע אקולוגי

המספרים מרשימים: כפית מי ים מכילה כ-5 מיליון חיידקים, וליטר מי ים מכיל יותר וירוסים מכל בני האדם על פני כדור הארץ. 94% מכל החלקיקים באוקיאנוסים הם וירוסים - כ-$10^{30}$ בסך הכול. כל יום כ-20% מחיידקי האוקיאנוס מתים על-ידי וירוסים, מתפרקים לחומרי הזנה, ומאפשרים גדילה מחדש - מחזור חיים קריטי לאקו-מערכת הימית.

הגנה צולבת - ניסוי בעכברים

עכברים שהודבקו ב-Herpesvirus שרדו בשיעור גבוה בהרבה כשנחשפו בהמשך לחיידקים קטלניים או לשפעת H1N1 - לעומת עכברים שלא נשאו Herpesvirus. ההסבר: הווירוס מעלה את מוכנות המערכת החיסונית באופן כללי (לא ספציפי). אולי ההדבקה הכרונית בהרפס שרוב האנשים נושאים נותנת לנו רמה מסוימת של הגנה.

סימביוזה - צרעה, זחל, ווירוס

דוגמה יפה לקשר בין וירוס ליצור חי: צרעות מטילות ביצים בתוך זחלים, אבל מערכת החיסון של הזחל תוקפת את הביצים. הפתרון: הצרעה מזריקה ביחד עם הביצים וירוס שמשתק את מערכת החיסון של הזחל. הווירוס הזה הוא חלק מהגנום של הצרעה - לא מתבטא בכלל בגוף הצרעה הבוגרת, אלא רק בזמן יצירת ביציות.

שאלות לבדיקה עצמית

1. מדוע וירוס אינו נחשב ליצור חי?
2. תאר את מחזור החיים של SV40 - אילו מערכות תאיות הוא מגייס?
3. מה ההבדל בין RNA+ ל-RNA-? מדוע ההבחנה חשובה?
4. מדוע אבולוציה ויראלית מובילה בדרך כלל למחלה קלה יותר? מתי זה לא נכון?
5. תן שלוש דוגמאות לווירוסים שיכולים להיות מועילים.
6. מדוע סבון יעיל נגד קורונה אבל פחות נגד Adenovirus?
7. הסבר את סיווג בולטימור - מה השאלה המרכזית שהוא עונה עליה?