Exercícios: Vírus, viroides e priões

Apresenta três razões pelas quais os vírus não são considerados seres vivos de acordo com os critérios clássicos (organização celular, metabolismo e reprodução) e uma razão pela qual o debate continua em aberto.

Descreve a estrutura básica de um vírus (genoma, cápside e, em alguns casos, invólucro) e explica a diferença entre um vírus nu e um vírus envelopado, indicando um exemplo de cada tipo.

O que são os viroides e o que são os priões? Indica que organismos infetam os primeiros e refere uma doença humana ou animal provocada por priões.

Explica o que é um bacteriófago, descreve a sua estrutura (cabeça contendo o genoma, cauda e fibras de fixação) e indica qual é a sua «presa» e por que razão cada fago infeta apenas determinadas bactérias.

Distingue os vírus com genoma de ADN dos de ARN, e apresenta um exemplo de doença provocada por cada tipo (herpes ou varíola versus gripe, sarampo ou COVID-19), referindo as implicações para a sua variabilidade genética.

O que é uma vacina e de que forma «treina» o sistema imunitário sem causar a doença? Refere dois tipos de vacinas (atenuadas, inativadas, de subunidades, de ARN mensageiro) e explica em que diferem.

Explica o que é a especificidade do hospedeiro de um vírus (por que razão o vírus do mosaico do tabaco não nos infeta?) e que barreiras deve ultrapassar um vírus para infetar uma espécie diferente (recetores, maquinaria celular).

Nomeia três vias de transmissão de vírus (respiratória, fecal-oral, sexual ou sanguínea, por vetores como mosquitos) com um exemplo de doença para cada uma, e indica uma medida de prevenção específica para cada via.

Descreve o ciclo lítico e o ciclo lisogénico de um bacteriófago, indicando em que diferem e que consequência tem para a bactéria a entrada do fago em estado de latência.

Observa a estrutura do vírus da imagem. a) Explica a função das estruturas 1, 2 e 4 durante a infeção de uma célula. b) Justifica por que razão a estrutura 3 torna este tipo de vírus especialmente sensível ao sabão e às soluções alcoólicas. c) É possível saber apenas através da imagem se o seu genoma é ADN ou ARN? Justifica a tua resposta.

A abordagem «uma só saúde» (one health) compreende a saúde humana, a dos animais e a do ambiente como um único sistema interligado. Explica-a com base nas zoonoses víricas: apresenta dois exemplos (raiva, gripe aviária ou COVID-19) e justifica como a desflorestação, a pecuária intensiva e o comércio de espécies selvagens facilitam a transmissão de um vírus de uma espécie animal para o ser humano.

Ordena e descreve as fases do ciclo de replicação de um vírus (adsorção, penetração, replicação e síntese, montagem, libertação), e indica em que etapas podem atuar os fármacos antivíricos (bloqueio da entrada, inibição da polimerase ou da protease).

O vírus da gripe sofre alterações através de dois processos. Distingue a deriva antigénica (mutações pontuais anuais) da variação ou salto antigénico (recombinação entre vírus, na origem das pandemias), e justifica por que razão a gripe aviária e a gripe suína são monitorizadas como potenciais fontes de novos vírus pandémicos.

As vacinas de ARN mensageiro foram administradas em larga escala com a COVID-19. Explica o seu funcionamento (instrução transitória para as nossas células produzirem o antigénio), a vantagem de rapidez no seu desenvolvimento e por que motivo é incorreto afirmar que podem modificar o nosso ADN (onde atua o ARNm e qual a sua semivida?).

O vírus do papiloma humano (VPH) pode provocar cancro do colo do útero e outros tumores. Explica como um vírus pode potenciar o aparecimento de cancro (alteração do controlo do ciclo celular pelas suas proteínas), por que razão demora anos a manifestar-se e por que motivo a vacinação de adolescentes — rapazes e raparigas — atua como uma vacina contra o cancro.

O VIH infeta os linfócitos T CD4. Explica por que razão a destruição destas células desorganiza todo o sistema imunitário, o que é a sida (a fase terminal sem tratamento) e por que motivo os antirretrovirais transformam a infeção numa doença crónica controlada, mas não a curam (reservatórios de vírus latente).

Durante um surto de um novo vírus respiratório estima-se um número básico de reprodução $R_0 = 2,5$.

1. a) As autoridades de saúde consideram dois cenários alternativos: aplicar medidas de contenção não farmacológicas (máscaras e ventilação, que reduzem a probabilidade de contágio por contacto em $40\,\%$) ou confiar exclusivamente numa vacina com uma eficácia de $80\,\%$ administrada a $60\,\%$ da população. Prevê quantitativamente qual das duas estratégias conseguirá, por si só, travar a expansão do surto (fazer com que o número reprodutivo efetivo $R_t$ seja inferior a $1$), justificando os teus cálculos.
2. b) Um representante público afirma: «Se conseguirmos vacinar $50\,\%$ da população com uma vacina $100\,\%$ eficaz, o vírus extinguir-se-á de imediato porque metade da população já não contagia». Refuta quantitativa e biologicamente esta afirmação calculando o valor resultante de $R_t$ e descrevendo o que acontecerá a curto prazo com a curva de contágios.

Num laboratório analisam-se dois vírus emergentes que infetam linfócitos humanos: o vírus Alpha (com genoma de ADN bicatenário de $150\text{ kb}$) e o vírus Beta (com genoma de ARN monocatenário de $15\text{ kb}$). Isolam-se partículas virais de doentes após seis meses de infeção:

• No Alpha, a sequência do gene da glicoproteína de adesão apresenta uma divergência média de $0,001\,\%$ em relação à estirpe inoculada.

• No Beta, a divergência na proteína homóloga é de $4,2\,\%$, encontrando-se uma ampla nuvem de variantes num mesmo hospedeiro.

1. a) Justifica, a nível molecular e enzimático, a causa desta enorme disparidade nas taxas de mutação observadas entre ambos os vírus.
2. b) Para combater ambos os agentes patogénicos, testa-se uma vacina de subunidades proteicas baseada numa única variante da proteína de adesão e um fármaco inibidor dessa proteína. Prevê, de forma fundamentada, o prognóstico de eficácia a médio prazo destas estratégias no Alpha e no Beta.
3. c) Que alvo vírico ou estratégia farmacológica proporias para o vírus Beta com o objetivo de reduzir a probabilidade de este desenvolver variantes resistentes?

Uma equipa de investigação tenta determinar a natureza do agente infecioso causador de uma nova encefalopatia espongiforme. Para tal, submete amostras de tecido cerebral infecioso a diferentes tratamentos antes de as inocular em ratinhos de laboratório saudáveis:

• Tratamento 1: Digestão exaustiva com ADNases e ARNases $\rightarrow$ $100\,\%$ dos ratinhos adoece.

• Tratamento 2: Irradiação ultravioleta com doses letais para ácidos nucleicos $\rightarrow$ $100\,\%$ dos ratinhos adoece.

• Tratamento 3: Autoclave a $121\text{ }^\circ\text{C}$ durante $20\text{ minutos}$ $\rightarrow$ $100\,\%$ dos ratinhos adoece.

• Tratamento 4: Ebulição prolongada em hidróxido de sódio ($1\text{ M}$) ou digestão com proteases enérgicas $\rightarrow$ Nenhum ratinho adoece.

• Tratamento 5: Inocula-se a amostra infeciosa intacta em ratinhos Knock-Out aos quais foi suprimido o gene $PRNP$ (não expressam a proteína celular normal $\text{PrP}^\text{C}$) $\rightarrow$ Nenhum ratinho desenvolve a doença nem multiplica o agente patogénico.

1. a) Interpreta os resultados dos tratamentos 1, 2 e 4: deduz a natureza bioquímica do agente patogénico e justifica por que razão a sua descoberta representou uma aparente violação do dogma central da biologia molecular.
2. b) Explica a nível estrutural (conformação secundária e agregação) por que razão o tratamento 3 falhou mas o tratamento 4 conseguiu neutralizar a infeciosidade.
3. c) Deduz a partir do tratamento 5 o mecanismo pelo qual este patogénico consegue «replicar-se» num hospedeiro saudável e explica por que razão os ratinhos sem o gene $PRNP$ se mostram imunes.

O vírus do sarampo é um dos agentes patogénicos mais transmissíveis conhecidos, com um $R_0 \approx 15$. Numa população de $300\,000$ habitantes dispõe-se de uma vacina cuja eficácia contra a infeção é de $95\,\%$.

1. a) Deduz a partir da condição de controlo epidémico ($R_t < 1$) a fórmula do limiar de imunidade de grupo ($H_c = 1 - 1/R_0$) e calcula a percentagem real mínima da população que deve ser vacinada para garantir a proteção coletiva tendo em conta a eficácia da vacina.
2. b) Após uma campanha de desinformação, a cobertura vacinal nessa comunidade desce para $88\,\%$. Se entrar um caso primário na comunidade, prevê quantitativamente se o surto se extinguirá ou evoluirá para epidemia, calculando o valor do número reprodutivo efetivo ($R_t$).
3. c) Na referida população residem 600 pessoas que não podem vacinar-se por contraindicações médicas (imunodepressão ou alergias graves). Justifica biologicamente o conceito de «vacinação como ato solidário» e ilustra que diferença sente este grupo vulnerável se a cobertura da população saudável for de $98\,\%$ em comparação com $88\,\%$.

Fazes parte de um painel epidemiológico que deve avaliar a viabilidade biológica de erradicar três patogénicos víricos:

• Vírus A (Vírus da raiva): Vírus de ARN; letalidade próxima de $100\,\%$; infeta múltiplos mamíferos silvestres (morcegos, raposas) e domésticos; existe uma vacina inativada altamente eficaz.

• Vírus B (Poliovírus tipo 1): Vírus de ARN; reservatório exclusivamente humano; entre $90\,\%$ e $95\,\%$ dos infetados são completamente assintomáticos mas excretam partículas víricas viáveis nas fezes durante semanas; existe vacina oral e inativada eficaz.

• Vírus C (Vírus do sarampo): Vírus de ARN; reservatório exclusivamente humano; praticamente $100\,\%$ dos infetados desenvolve clínica evidente característica (febre, exantema) sem casos assintomáticos que transmitam; $R_0 \approx 12\text{-}18$; existe vacina atenuada eficaz.

1. a) Baseando-te no conceito de reservatório natural, justifica por que razão o Vírus A não é biologicamente erradicável à escala global, ao contrário do que se conseguiu com a varíola humana.
2. b) Compara as dificuldades epidemiológicas do Vírus B face ao Vírus C: qual dos dois coloca um obstáculo maior para a deteção e isolamento precoce das cadeias de transmissão? Justifica a tua resposta.
3. c) Modela um método de vigilância epidemiológica não invasivo que permita detetar a circulação ativa do Vírus B numa cidade sem necessidade de realizar recolhas de amostras clínicas individuais a toda a população.

Numa região de floresta tropical abatem-se $60\,000\text{ hectares}$ de floresta primária para implementar monoculturas e explorações suinícolas intensivas. Dois anos depois, regista-se um surto de síndrome respiratória aguda e encefalite em trabalhadores das explorações, causado por um novo vírus de ARN aparentado com patogénicos de quirópteros.

1. a) Formula uma hipótese ecológica que descreva a cadeia de transmissão do salto zoonótico (spillover), explicando o papel da perturbação do ecossistema, o morcego como reservatório silvestre e o gado suíno como hospedeiro amplificador.
2. b) A amostragem biológica revela que nos fragmentos de floresta degradada a riqueza de espécies de quirópteros desceu $65\,\%$, mas a densidade de uma espécie oportunista reservatório do vírus triplicou. Relaciona este padrão com o conceito ecológico do «efeito de diluição» e argumenta por que razão a perda de biodiversidade aumenta o risco de zoonoses.
3. c) A partir da abordagem multidisciplinar One Health («Uma Só Saúde»), concebe duas medidas de prevenção aplicáveis sobre o meio ambiente ou a gestão pecuária que evitem futuros eventos de emergência vírica na zona.

O viroide do tubérculo fusiforme da batata (PSTVd) é constituído por uma única molécula circular de ARN monocatenar de 359 nucleótidos. A análise da sua sequência revela que carece totalmente de codões de iniciação AUG e de qualquer grelha de leitura aberta (ORF), pelo que não sintetiza nenhuma proteína.

1. a) Ao incubar o PSTVd com ribossomas e fatores de tradução num tubo de ensaio, não se sintetiza nenhum péptido. No entanto, ao inoculá-lo em núcleos de células de batateira, o viroide replica-se profusamente. Justifica como é que um ácido nucleico não codificante consegue multiplicar-se dentro da célula vegetal e deduz que enzima nuclear da planta é sequestrada para esta finalidade.
2. b) Se o viroide não produz toxinas nem proteínas da cápside, como é que causa necrose e malformações graves na planta? Explica o mecanismo patogénico a nível molecular baseando-te no processamento celular do ARN exógeno por ação de enzimas do tipo Dicer e na via do ARN de interferência (ARNsi).
3. c) Certos viroides apresentam domínios com atividade ribozima capazes de catalisar o seu próprio corte e ligação durante a replicação. Justifica por que razão se consideram os viroides candidatos a «fósseis moleculares» das etapas iniciais da origem da vida celular.

Um paciente com infeção por VIH não tratado apresenta uma carga viral com produção diária de $10^9$ viriões. A transcriptase reversa do vírus carece de atividade de correção de erros e comete $1$ erro por cada $10^4$ nucleótidos (o tamanho do seu genoma é de cerca de $10^4$ bases).

1. a) Estima-se que a probabilidade de uma partícula vírica adquirir aleatoriamente uma mutação que confira resistência ao fármaco A seja de $10^{-5}$, ao fármaco B seja de $10^{-5}$ e ao fármaco C seja de $10^{-6}$ (mutações independentes):

• Calcula quantos viriões resistentes ao fármaco A se geram por dia neste paciente e prevê o que acontecerá à carga viral se for tratado exclusivamente com o fármaco A em monoterapia.

• Calcula a probabilidade teórica de um único virião acumular simultaneamente resistência face aos fármacos A, B e C combinados. A partir desse valor, justifica o sucesso terapêutico do tratamento antirretroviral combinado (TARV ou triterapia).

1. b) Se o paciente seguir a triterapia mas falhar as tomas de forma irregular (esquecimentos frequentes), prevê as consequências evolutivas sobre a diversidade de quase-espécies do vírus e explica por que razão esta conduta desencadeia a falência terapêutica multirresistente.
2. c) Por que razão a existência de quase-espécies e a elevada taxa mutacional impediram a obtenção de uma vacina eficaz contra o VIH, enquanto existem vacinas esterilizantes e duradouras para vírus de genoma estável como o da varíola ou o da papeira?

Desafio do tema. Imagina que prestas consultoria ao Ministério da Saúde e da Agricultura. A tua missão é avaliar a ameaça das formas acelulares no teu ambiente e desenhar um guia técnico de biossegurança.

1. Obtenção de dados reais: Acede às publicações do Instituto Nacional de Saúde Doutor Ricardo Jorge (INSA) ou da Direção-Geral de Alimentação e Veterinária (DGAV). Regista a incidência ou prevalência recente de uma virose (por exemplo, gripe com uma taxa de $18,4$ casos por $100\,000$ habitantes), de um viroide vegetal (como o do nanismo do tomateiro) e de uma prionopatia pecuária.

2. Análise comparativa: Elabora uma tabela onde contrastes os três agentes segundo a sua composição ($ARN$, $ADN$ ou isoforma proteica $PrP^{Sc}$), presença ou ausência de cápside/invólucro e tamanho aproximado em nanómetros ($nm$).

3. Parecer fundamentado: Redige uma proposta de atuação ($1$ página) explicando quais os tratamentos físicos ou químicos (autoclave, radiação UV, lixívia) que são eficazes face a cada um, justificando por que razão a resistência de um prião ou de um viroide difere drasticamente da de um vírus com invólucro lipídico.

Avaliar-se-á:

• Rigor concetual ao diferenciar a estrutura molecular e a patogenia de vírus, viroides e priões.

• Obtenção precisa e citação adequada de dados epidemiológicos procedentes de fontes oficiais.

• Coerência científica na justificação físico-química dos métodos de desinfeção propostos.