Вирусная трансформация — это изменение роста, фенотипа или неопределенного воспроизводства клеток, вызванное введением наследуемого материала. В ходе этого процесса вирус вызывает вредные трансформации in vivo клетки или клеточной культуры . Термин также можно понимать как трансфекцию ДНК с использованием вирусного вектора .
Вирусная трансформация может происходить как естественным, так и медицинским путем. Естественные трансформации могут включать вирусные раковые заболевания , такие как вирус папилломы человека (ВПЧ) и вирус Т-клеточного лейкоза I типа . Гепатиты B и C также являются результатом естественной вирусной трансформации клеток-хозяев. Вирусная трансформация также может быть вызвана для использования в медицинских процедурах.
Клетки, которые были вирусно трансформированы, можно отличить от нетрансформированных клеток с помощью различных наблюдений за ростом, поверхностью и внутриклеточными процессами. На рост трансформированных клеток может влиять потеря ограничения роста, вызванная клеточным контактом, менее ориентированным ростом и высокой плотностью насыщения. Трансформированные клетки могут терять свои плотные соединения , увеличивать скорость переноса питательных веществ и увеличивать секрецию протеазы . Трансформация также может влиять на цитоскелет и изменять количество сигнальных молекул .
Существует три типа вирусных инфекций, которые можно рассматривать в рамках темы вирусной трансформации. Это цитоцидные, персистирующие и трансформирующие инфекции. Цитоцидные инфекции могут вызывать слияние соседних клеток, нарушение транспортных путей, включая ионы и другие клеточные сигналы, нарушение синтеза ДНК , РНК и белка , и почти всегда приводят к гибели клетки. Персистирующие инфекции включают вирусный материал, который находится в состоянии покоя внутри клетки, пока не будет активирован каким-либо стимулом. Этот тип инфекции обычно вызывает мало очевидных изменений внутри клетки, но может привести к длительным хроническим заболеваниям. Трансформирующие инфекции также называются злокачественной трансформацией . Эта инфекция заставляет клетку-хозяина становиться злокачественной и может быть либо цитоцидной (обычно в случае РНК-вирусов), либо персистирующей (обычно в случае ДНК-вирусов). Клетки с трансформирующими инфекциями подвергаются иммортализации и наследуют генетический материал для образования опухолей. Поскольку термин цитоцидный или цитолитический относится к гибели клетки, эти три инфекции не являются взаимоисключающими. Многие трансформирующие инфекции ДНК-вирусами опухолей также являются цитоцидными. [1]
Таблица 1: Клеточные эффекты вирусных инфекций [1]
Цитоцидные инфекции часто связаны с изменениями в морфологии клеток, физиологии и, таким образом, важны для полной репликации и трансформации вируса. Цитопатические эффекты часто включают изменение морфологии клеток, такое как слияние с соседними клетками для образования поликариоцитов, а также синтез ядерных и цитоплазматических включений . Физиологические изменения включают недостаточное движение ионов, образование вторичных мессенджеров и активацию клеточных каскадов для продолжения клеточной активности. Биохимически многие вирусы подавляют синтез ДНК хозяина, РНК, белков напрямую или даже мешают белок-белковым, ДНК-белковым, РНК-белковым взаимодействиям на субклеточном уровне. Генотоксичность включает разрыв, фрагментацию или перестройку хромосом хозяина. Наконец, биологические эффекты включают способность вирусов влиять на активность антигенов и иммуноглобулинов в клетке хозяина. [1]
Существует два типа цитоцидных инфекций: продуктивные и абортивные. При продуктивных инфекциях производятся дополнительные инфекционные вирусы. Абортивные инфекции не производят инфекционные вирусы. Одним из примеров продуктивной цитоцидной инфекции является вирус герпеса . [2]
Существует три типа персистирующих инфекций: латентные, хронические и медленные, при которых вирус остается внутри клетки-хозяина в течение длительных периодов времени. Во время латентных инфекций экспрессия инфицированного вирусного генома минимальна или отсутствует. Геном остается внутри клетки-хозяина до тех пор, пока вирус не будет готов к репликации. Хронические инфекции оказывают такие же клеточные эффекты, как и острые цитоцидные инфекции, но в трансформации участвует ограниченное количество потомков и вирусов. Наконец, медленные инфекции имеют более длительный инкубационный период, в котором не могут быть задействованы никакие физиологические, морфологические или субклеточные изменения. [1]
Трансформационные инфекции ограничиваются абортивными или рестриктивными инфекциями. [1] Это самая широкая категория инфекций, поскольку она может включать как цитоцидную, так и персистирующую инфекцию. Вирусная трансформация чаще всего понимается как трансформирующие инфекции, поэтому оставшаяся часть статьи посвящена подробному описанию трансформирующих инфекций.
Для того, чтобы клетка трансформировалась вирусом , вирусная ДНК должна быть введена в клетку-хозяина . Простейшим соображением является вирусная трансформация бактериальной клетки. Этот процесс называется лизогенией . Как показано на рисунке 2, бактериофаг приземляется на клетку и прикрепляется к ней. Затем фаг может проникнуть через клеточную мембрану и ввести вирусную ДНК в клетку-хозяина. Затем вирусная ДНК может либо оставаться в состоянии покоя до тех пор, пока ее не стимулирует источник, например, УФ-излучение, либо она может быть немедленно захвачена геномом хозяина . В любом случае вирусная ДНК будет реплицироваться вместе с исходной ДНК хозяина во время репликации клетки , в результате чего две клетки теперь будут инфицированы вирусом. Процесс будет продолжать распространять все больше и больше инфицированных клеток. [3] Этот процесс отличается от литического цикла , где вирус использует только репликационный аппарат клетки-хозяина для саморепликации перед тем, как уничтожить клетку-хозяина. [4]
Похожий процесс происходит в клетках животных. В большинстве случаев, вместо того, чтобы вводить вирусную ДНК в клетку животного, часть мембраны охватывает вирус, а затем клетка поглощает как вирус, так и охватывающую часть мембраны в клетку. Этот процесс, называемый эндоцитозом , показан на рисунке 3. [5]
Вирусная трансформация нарушает нормальную экспрессию генов клетки-хозяина в пользу экспрессии ограниченного числа вирусных генов. Вирус также может нарушить связь между клетками и заставить клетки делиться с повышенной скоростью. [6]
Вирусная трансформация может накладывать на клетку характерно определяемые черты. Типичные фенотипические изменения включают высокую плотность насыщения, рост, не зависящий от прикрепления, потерю контактного торможения, потерю ориентированного роста, иммортализацию , разрушение цитоскелета клетки .
Вирусные гены экспрессируются посредством использования репликационного аппарата клетки-хозяина; поэтому многие вирусные гены имеют промоторы , которые поддерживают связывание многих факторов транскрипции, естественным образом присутствующих в клетках-хозяевах. Эти факторы транскрипции вместе с собственными белками вируса могут подавлять или активировать гены как из вируса, так и из генома клетки-хозяина. Многие вирусы также могут увеличивать выработку регуляторных белков клетки. [1]
В зависимости от вируса в клетке-хозяине могут происходить различные генетические изменения. В случае вируса литического цикла клетка будет жить только достаточно долго, чтобы репликационный аппарат мог быть использован для создания дополнительных вирусных единиц. В других случаях вирусная ДНК будет сохраняться в клетке-хозяине и реплицироваться по мере репликации клетки. Эта вирусная ДНК может либо быть включена в генетический материал клетки-хозяина, либо сохраняться как отдельный генетический вектор. В любом случае может произойти повреждение хромосом клетки-хозяина . Возможно, что повреждение можно исправить; однако наиболее распространенным результатом является нестабильность исходного генетического материала или подавление или изменение экспрессии гена. [1]
Анализ — это аналитический инструмент , часто используемый в лабораторных условиях для оценки или измерения некоторого качества целевого объекта. [7] В вирусологии анализы могут использоваться для дифференциации трансформированных и нетрансформированных клеток. Изменение используемого анализа изменяет селективное давление на клетки и, следовательно, может изменить то, какие свойства выбираются в трансформированных клетках. [6]
Три наиболее распространенных анализа — это анализ формирования фокуса, анализ независимого роста Анкориджа и анализ восстановленной сыворотки.
Анализ формирования фокуса (FFA) используется для выращивания клеток, содержащих трансформирующий онкоген , на монослое нетрансформированных клеток. Трансформированные клетки будут образовывать приподнятые, плотные пятна на образце по мере роста без контактного ингибирования. [8] Этот анализ является высокочувствительным по сравнению с другими анализами, используемыми для вирусного анализа, такими как анализ снижения выхода. [9]
Примером анализа роста, независимого от анкориджа, является анализ на мягком агаре. Анализ оценивает способность клеток расти в геле или вязкой жидкости. Трансформированные клетки могут расти в этой среде и считаются независимыми от анкориджа. Клетки, которые могут расти только при прикреплении к твердой поверхности, являются зависимыми от анкориджа нетрансформированными клетками. Этот анализ считается одним из самых строгих для обнаружения злокачественной трансформации [10]
В анализе с уменьшенной сывороткой клетки анализируются путем использования изменений в потребностях клеток в сыворотке. Нетрансформированным клеткам требуется по крайней мере 5% сывороточной среды для роста; однако трансформированные клетки могут расти в среде со значительно меньшим количеством сыворотки. [6]
Естественная трансформация — это вирусная трансформация клеток без вмешательства медицинской науки. Это наиболее часто рассматриваемая форма вирусной трансформации, которая включает в себя множество видов рака и заболеваний, таких как ВИЧ , гепатит В и вирус лейкемии Т-клеток I типа .
Около 20% опухолей человека вызваны вирусами. [11] Некоторые из таких общеизвестных вирусов включают ВПЧ , вирус Т-клеточного лейкоза I типа и гепатит B.
Вирусный онкогенез наиболее распространен среди ДНК- и РНК-вирусов опухолей, чаще всего ретровирусов. [12] Существует два типа онкогенных ретровирусов : острые трансформирующие вирусы и неострые трансформирующие вирусы. Острые трансформирующие вирусы вызывают быстрый рост опухоли, поскольку они несут вирусные онкогены в своей ДНК/РНК, чтобы вызвать такой рост. Примером острого трансформирующего вируса является вирус саркомы Рауса (RSV), который несет онкоген v-src. v-Src является частью c-src, который является клеточным протоонкогеном, который стимулирует быстрый рост и расширение клеток. С другой стороны, неострый трансформирующий вирус вызывает медленный рост опухоли, поскольку он не несет никаких вирусных онкогенов. Он вызывает рост опухоли путем транскрипционной активации протоонкогенов, в частности длинного концевого повтора (LTR) в протоонкогенах. [12]
Вирусный онкогенез посредством трансформации может происходить посредством двух механизмов: [1]
Один или оба этих механизма могут иметь место в одной и той же клетке-хозяине.
Считается, что вирусный белок X гепатита В вызывает гепатоцеллюлярную карциному посредством трансформации, как правило, клеток печени. Вирусная ДНК встраивается в геном клетки-хозяина, вызывая быструю репликацию клеток и рост опухоли. [13]
Папилломавирусы обычно поражают эпителиальные клетки и вызывают все: от бородавок до рака шейки матки. Когда вирус папилломы человека (ВПЧ) трансформирует клетку, он вмешивается в функцию клеточных белков, одновременно разрушая другие клеточные белки. [14]
Герпесвирусы , герпесвирус , ассоциированный с саркомой Капоши , и вирус Эпштейна-Барр , как полагают, вызывают рак у людей, такой как саркома Капоши, лимфома Беркитта и карцинома носоглотки . Хотя в этих вирусах были идентифицированы гены, вызывающие трансформацию, способ, которым вирус трансформирует и реплицирует клетку-хозяина, не изучен. [14]
Ретровирусы включают вирус лейкемии Т-клеток типа I , ВИЧ и вирус саркомы Рауса (RSV). Налог вирусных генов выражается, когда вирус лейкемии Т-клеток трансформирует клетку, изменяя экспрессию генов контроля клеточного роста и заставляя трансформированные клетки становиться раковыми. ВИЧ действует иначе, не заставляя клетки становиться раковыми напрямую, а вместо этого делая инфицированные более восприимчивыми к лимфоме и саркоме Капоши . Многие другие ретровирусы содержат три гена, gag , pol и env , которые напрямую не вызывают трансформацию или образование опухоли. [14]
Вирус иммунодефицита человека — это вирусная инфекция, которая поражает лимфатические узлы . ВИЧ связывается с иммунной клеткой CD4 , а обратная транскриптаза изменяет геном клетки-хозяина, позволяя интегрировать вирусную ДНК через интегразу . Вирус размножается, используя механизмы клетки-хозяина, а затем покидает клетку, чтобы заразить другие клетки посредством почкования . [15]
Существует множество приложений, в которых вирусная трансформация может быть искусственно вызвана в клеточной культуре для лечения болезни или другого состояния. Клеточная культура инфицируется вирусом, вызывающим трансформацию; трансформированные клетки затем могут быть использованы для производства лекарств или непосредственно введены в организм.
Интерфероны типа I (IFN) используются для лечения широкого спектра заболеваний, включая гепатит C , рак, вирусные и воспалительные заболевания. IFN могут быть либо извлечены из природного источника, такого как культивированные клетки человека или лейкоциты крови , либо они могут быть изготовлены с помощью технологий рекомбинантной ДНК . Большинство этих методов лечения IFN имеют низкую частоту ответа. [16]
Использование вирусной трансформации вируса Эпштейна-Барр (ВЭБ) было рекомендовано для создания персонализированных IFN. В этом процессе первичные В-лимфоциты трансформируются ВЭБ. Затем эти клетки можно использовать для производства IFN, специфичных для пациента, у которого были извлечены В-лимфоциты . Такая персонализация снижает вероятность реакции антител и, следовательно, повышает эффективность лечения. [16]
Когда вирус трансформирует клетку, он часто вызывает рак, либо изменяя существующий геном клетки, либо вводя дополнительный генетический материал, который заставляет клетки бесконтрольно размножаться. [11] Редко принимается во внимание, что то, что наносит так много вреда, также имеет возможность обратить процесс вспять и замедлить рост рака или даже привести к ремиссии. Вирусы трансформируют клетки-хозяева, чтобы выжить и размножаться; однако иммунные реакции клетки-хозяина обычно скомпрометированы во время трансформации, что делает трансформированные клетки более восприимчивыми к другим вирусам. [17]
Идея использования вирусов для лечения рака впервые была представлена в 1951 году, когда у 4-летнего мальчика внезапно наступила временная ремиссия от лейкемии , пока он болел ветрянкой . Это привело к исследованиям в 1990-х годах, где ученые работали над созданием штамма вируса простого герпеса, достаточно сильного, чтобы инфицировать и трансформировать опухолевые клетки, но достаточно слабого, чтобы оставлять здоровые клетки невредимыми. Лечение пациентов с помощью вирусной трансформации дает возможность лечить пациентов более безопасно и эффективно, чем при использовании традиционных методов, таких как химиотерапия . Вирусы, используемые при лечении рака, набирают силу и повышают свою эффективность по мере размножения в организме, вызывая при этом лишь незначительные побочные эффекты, такие как тошнота , усталость и боли. [17]