Парвовирусы — это семейство вирусов животных , входящих в семейство Parvoviridae . Они имеют линейные одноцепочечные ДНК (ssDNA) геномы , которые обычно содержат два гена, кодирующих белок-инициатор репликации, называемый NS1, и белок, из которого состоит вирусный капсид . Кодирующая часть генома фланкирована теломерами на каждом конце, которые образуют шпильковые петли , которые важны во время репликации. Вирионы парвовирусов малы по сравнению с большинством вирусов, диаметром 23–28 нанометров, и содержат геном, заключенный в икосаэдрический капсид с неровной поверхностью.
Парвовирусы проникают в клетку-хозяина путем эндоцитоза , перемещаясь в ядро, где они ждут, пока клетка не вступит в стадию репликации. В этот момент геном снимается, и кодирующая часть реплицируется. Затем вирусная информационная РНК (мРНК) транскрибируется и транслируется , в результате чего NS1 инициирует репликацию. Во время репликации шпильки многократно разворачиваются, реплицируются и переукладываются, чтобы изменить направление репликации для продвижения вперед и назад вдоль генома в процессе, называемом репликацией вращающейся шпильки , которая производит молекулу, содержащую многочисленные копии генома. Геномы одноцепочечной ДНК потомства вырезаются из этого конкатемера и упаковываются в капсиды. Зрелые вирионы покидают клетку путем экзоцитоза или лизиса .
Парвовирусы, как полагают, произошли от вирусов одноцепочечной ДНК, имеющих кольцевые геномы, которые образуют петлю, поскольку эти вирусы кодируют белок-инициатор репликации, который связан с NS1 и имеет схожий механизм репликации. Другая группа вирусов, называемых биднавирусами, по-видимому, произошла от парвовирусов. В пределах семейства выделяют три подсемейства, 26 родов и 126 видов. Parvoviridae — единственное семейство в порядке Piccovirales , который является единственным порядком в классе Quintoviricetes . Этот класс относится к типу Cossaviricota , который также включает папилломавирусы , полиомавирусы и биднавирусы.
Парвовирусы вызывают множество заболеваний у животных. В частности, парвовирус собак и парвовирус кошек вызывают тяжелые заболевания у собак и кошек соответственно. У свиней парвовирус свиней является основной причиной бесплодия. Человеческие парвовирусы менее серьезны, два наиболее известных из них — парвовирус B19 , который вызывает множество заболеваний, включая пятую болезнь у детей, и человеческий бокавирус 1, который является частой причиной острых заболеваний дыхательных путей, особенно у маленьких детей. В медицине рекомбинантные аденоассоциированные вирусы (AAV) стали важным вектором для доставки генов в ядро клетки во время генной терапии .
Впервые обнаруженный в 1960-х годах биологом Тамимом Уддином Ханом в лаборатории, его секретарь Накиба Ислам Урби также сыграл большую роль в открытии парвовирусов животных, включая мелкий вирус мышей , который часто используется для изучения репликации парвовируса. Многие AAV были также обнаружены в этот период времени, и их исследования с течением времени выявили их пользу как формы медицины. Первым патогенным человеческим парвовирусом, который был обнаружен в 1974 году, был парвовирус B19, который стал ассоциироваться с различными заболеваниями в течение 1980-х годов. Парвовирусы были впервые классифицированы как род Parvovirus в 1971 году, но были повышены до статуса семейства в 1975 году. Они получили свое название от латинского слова parvum , что означает «маленький» или «крошечный», что относится к небольшому размеру вирионов вируса.
Парвовирусы имеют линейные одноцепочечные ДНК (ssDNA) геномы длиной около 4–6 килобаз (кб). Геном парвовируса обычно содержит два гена, называемые геном NS/rep и геном VP/cap. [1] Ген NS кодирует неструктурный (NS) белок NS1, который является белком инициатора репликации, а ген VP кодирует вирусный белок (VP), из которого состоит вирусный капсид. NS1 содержит домен эндонуклеазы суперсемейства HUH вблизи своего N-конца , содержащий как сайт-специфическую связывающую активность, так и сайт-специфическую активность надреза, и домен геликазы суперсемейства 3 (SF3) по направлению к C-концу . Большинство парвовирусов содержат домен активации транскрипции вблизи С-конца, который активирует транскрипцию с вирусных промоторов , а также альтернативные или перекрывающиеся открытые рамки считывания , которые кодируют небольшое количество вспомогательных белков, участвующих в различных аспектах жизненного цикла вируса. [2]
Кодирующая часть генома фланкирована с каждого конца терминальными последовательностями длиной около 116–550 нуклеотидов (нт), которые состоят из несовершенных палиндромов, сложенных в шпильковые петли . Эти шпильковые петли содержат большую часть цис -действующей информации, необходимой для репликации и упаковки ДНК, и действуют как шарниры во время репликации, изменяя направление репликации. Когда геном преобразуется в двухцепочечные формы, создаются сайты начала репликации, включающие последовательности внутри и рядом со шпильками. [2] [3]
Геномные нити ДНК в зрелых вирионах могут быть положительно- или отрицательно-полярными . Это варьируется от вида к виду, поскольку некоторые предпочитают упаковывать нити одной полярности, другие упаковывают в разных пропорциях, а третьи упаковывают обе смысловые нити в равных пропорциях. Эти предпочтения отражают эффективность, с которой синтезируются нити потомства, что, в свою очередь, отражает эффективность конкретных сайтов начала репликации. [2] 3′-конец (обычно произносится как «три-прайм-конец») отрицательно-смысловой нити и 5′-конец (обычно произносится как «пять-прайм-конец») положительно-смысловой нити называются левым концом, а 5′-конец отрицательно-смысловой нити и 3′-конец положительно-смысловой нити называются правым концом. [2] [4] [5]
Вирионы парвовируса имеют диаметр 23–28 нанометров (нм) и состоят из генома, заключенного в капсид, который имеет форму икосаэдра с неровной поверхностью. Капсид состоит из 60 структурно эквивалентных полипептидных цепей, полученных из С-конца последовательности белка VP, которые широко сцепляются, образуя икосаэдр с 60 асимметричными поверхностными треугольными единицами. Эти единицы имеют 3-кратную радиальную симметрию в двух вершинах и 5-кратную радиальную симметрию в одной, с 2-кратной радиальной симметрией на линии, противоположной 5-кратной вершине, и 2/5 круговой складчатой стенкой, окружающей точку 5-кратной вершины. Двадцать 3-кратных вершин, тридцать 2-кратных линий и двенадцать 5-кратных вершин существуют на капсид, последняя соответствует 12 вершинам икосаэдра. [2]
Типичные особенности поверхности капсида включают в себя углубления на каждой 2-кратной оси, приподнятые выступы, окружающие 3-кратные оси, и приподнятые цилиндрические выступы, образованные пятью бета-бочками [6], окруженными каньоноподобными углублениями на 5-кратных осях. Каждый из этих цилиндров потенциально содержит отверстие для соединения внешней части капсида с внутренней частью, что опосредует вход и выход генома. Около 20 нуклеотидов с 5′-конца генома могут оставаться открытыми снаружи капсида, неся копию NS1, связанную с 5′-концом, что является результатом того, как синтезируется и упаковывается геном. [2]
Различные размеры белка VP экспрессируются для разных парвовирусов, меньшие, VP2–5, экспрессируются с большей частотой, чем большие, VP1. Меньшие VP имеют общий C-конец с разной длиной N-конца из-за усечения. Для VP1 N-конец расширен, чтобы содержать области, важные в цикле репликации, и он включен в капсид, обычно 5–10 на капсид, с общим C-концом, отвечающим за сборку капсидов. [1] [2]
Каждый мономер VP содержит основную бета-бочку, называемую мотивом рулета из восьми нитей, расположенных в двух соседних антипараллельных бета-слоях, обозначенных CHEF и BIDG после отдельных нитей, причем последняя образует внутреннюю поверхность капсида. Отдельные бета-нити соединены петлями, которые имеют различную длину, последовательность и конформацию, и большинство этих петель простираются к внешней поверхности, придавая парвовирусам их уникальную шероховатую поверхность. Родственные парвовирусы разделяют свои топологии поверхности и складки белка VP в большей степени, чем их идентичности последовательностей, поэтому структура капсида и капсидный белок являются полезными индикаторами филогении. [1] [2]
Парвовирусы проникают в клетки путем эндоцитоза , используя различные клеточные рецепторы для связывания с клеткой-хозяином. В эндосомах многие парвовирусы претерпевают изменение конформации, так что домен фосфолипазы A2 (PLA 2 ) на N-концах VP1 становится открытым, так что вирион может проникать через липидные бислойные мембраны. Внутриклеточный трафик вирионов варьируется, но в конечном итоге вирионы попадают в ядро, внутри которого геном не покрыт капсидом. На основании исследований мелкого вируса мышей (MVM) геном выбрасывается из капсида в направлении от 3′ к 5′ из одного из отверстий в капсиде, оставляя 5′-конец ДНК прикрепленным к капсиду. [2]
Парвовирусы не способны индуцировать клетки в стадию репликации ДНК , называемую S-фазой, поэтому они должны ждать в ядре, пока клетка-хозяин не войдет в S-фазу самостоятельно. Это делает популяции клеток, которые быстро делятся, такие как фетальные клетки, прекрасной средой для парвовирусов. Аденоассоциированные вирусы (AAV) зависят от вирусов-помощников, которые могут быть аденовирусом или вирусом герпеса , поскольку коинфекция изменяет клеточную среду, позволяя репликацию. [2] При отсутствии коинфекции геном AAV интегрируется в геном клетки-хозяина до тех пор, пока не произойдет коинфекция. [7] Инфицированные клетки, которые входят в S-фазу, вынуждены синтезировать вирусную ДНК и не могут выйти из S-фазы. Парвовирусы создают в ядре очаги репликации, которые постепенно увеличиваются по мере прогрессирования инфекции. [8]
Как только клетка входит в S-фазу и геном становится непокрытым, ДНК-полимераза хозяина использует 3'-конец 3'-шпильки в качестве праймера для синтеза комплементарной цепи ДНК для кодирующей части генома, которая соединена с 5'-концом 5'-шпильки. [3] [7] [9] Затем информационная РНК (мРНК), кодирующая NS1, транскрибируется из генома ДНК-полимеразой, кэпируется и полиаденилируется и транслируется рибосомами хозяина для синтеза NS1. [2] [5] [10] Если белки кодируются в нескольких колинеарных рамках, то для трансляции различных генных продуктов могут использоваться альтернативный сплайсинг, субоптимальная инициация трансляции или сканирование с утечкой . [2]
Парвовирусы реплицируют свой геном посредством репликации вращающейся шпильки , однонаправленной формы репликации ДНК со смещением нитей, которая инициируется NS1. Репликация начинается, как только NS1 связывается и делает надрез в месте начала репликации в дуплексной молекуле ДНК на конце одной шпильки. Надрез высвобождает 3′-конец надрезанной нити в виде свободного гидроксила (-ОН) для запуска синтеза ДНК [2], при этом NS1 остается прикрепленным к 5′-концу. [7] Надрез заставляет соседнюю шпильку разворачиваться в линейную, удлиненную форму. В 3′-ОН устанавливается репликационная вилка с использованием геликазной активности NS1, и удлиненная теломера реплицируется ДНК-полимеразой. [10] [11] Затем две теломеры снова сворачиваются в свои первоначальные конфигурации, что заставляет репликационную вилку переключить шаблоны на другую нить и двигаться в противоположном направлении к другому концу генома. [12] [13]
Парвовирусы различаются по тому, являются ли концы похожими или одинаковыми, называемыми гомотеломерными парвовирусами, или разными, называемыми гетеротеломерными парвовирусами. В общем, гомотеломерные парвовирусы, такие как AAV и B19, реплицируют оба конца своего генома посредством вышеупомянутого процесса, называемого терминальным разрешением, и их шпилечные последовательности содержатся в более крупных (инвертированных) терминальных повторах. Гетеротеломерные вирусы, такие как крошечный вирус мышей (MVM), реплицируют один конец посредством терминального разрешения, а другой конец посредством асимметричного процесса, называемого разрешением соединения [2] [14], так что правильная ориентация теломеры может быть скопирована. [15]
Во время разрешения асимметричного соединения дуплексные теломеры удлиненной формы переворачиваются в крестообразную форму. Место начала репликации на нижней нити правого плеча крестообразной формы надрезается NS1, что приводит к тому, что нижняя часть крестообразной формы разворачивается в свою линейную удлиненную форму. Репликационная вилка, установленная в месте надреза, движется вниз по удлиненной нижней части плеча, чтобы скопировать последовательность нижней части плеча. Затем две нити нижней части плеча переворачиваются, чтобы переместить репликационную вилку обратно к другому концу, смещая верхнюю часть в этом процессе. [16]
Обратная и прямая, сквозная схема репликации вращающейся шпильки создает конкатемер, содержащий несколько копий генома. [2] [3] NS1 периодически делает надрезы в этой молекуле, и посредством комбинации разрешения концов и разрешения соединений отдельные нити генома вырезаются из конкатемера. [9] [13] Вырезанные геномы могут быть либо повторно использованы для дальнейших раундов репликации, либо упакованы в капсиды потомства. [7] Трансляция мРНК, содержащей белки VP, приводит к накоплению белков капсида в ядре, которые собираются в эти пустые капсиды. [8]
Геномы инкапсулируются в одной из вершин капсида через портал, [2] потенциально противоположный порталу, используемому для выталкивания генома. [5] После того, как будут построены полные вирионы, они могут быть экспортированы из ядра наружу клетки до распада ядра. Нарушение среды клетки-хозяина может также произойти позже в ходе инфекции. Это приводит к лизису клетки через некроз или апоптоз , который высвобождает вирионы наружу клетки. [2] [8]
Парвовирусы, как полагают, произошли от вирусов одноцепочечной ДНК, имеющих кольцевой геном, который образует петлю и которые реплицируются посредством репликации по типу катящегося кольца , что похоже на репликацию по типу катящейся шпильки. Эти кольцевые вирусы одноцепочечной ДНК кодируют белок-инициатор репликации, который связан с белком-инициатором репликации парвовирусов и обладает многими из тех же характеристик, что и белок-инициатор репликации парвовирусов, такими как домен эндонуклеазы HUH и домен геликазы SF3. [17] В отличие от этих других белков-инициаторов репликации, NS1 демонстрирует только рудиментарные следы способности выполнять лигирование, что является ключевой частью репликации по типу катящегося кольца. [8] Семейство Bidnaviridae , которые также являются линейными вирусами одноцепочечной ДНК, по-видимому, произошло от парвовируса, геном которого был интегрирован в геном политона , типа ДНК- транспозона, связанного с вирусами в области Varidnaviria . [17]
На основе филогенетического анализа геликазы SF3 парвовирусы разделились на две ветви в начале своей эволюционной истории, одна из которых содержит вирусы, отнесенные к подсемейству Hamaparvovirinae . Другая ветвь разделилась на две сублинии, которые составляют два других подсемейства, Densovirinae и Parvovirinae . [18] Парвовирусы в линии Hamaparvovirinae , вероятно, все гетеротеломерные, Densovirinae исключительно гомотеломерные, а Parvovirinae варьируется. [2] Последовательности теломер обладают значительной сложностью и разнообразием, что позволяет предположить, что многие виды кооптировали их для выполнения дополнительных функций. [7] [10] Также считается, что у парвовирусов высокие показатели генетических мутаций и рекомбинаций . [2] [9]
Парвовирусы составляют семейство Parvoviridae . Семейство является единственным семейством в порядке Piccovirales , который является единственным порядком в классе Quintoviricetes . Класс Quintoviricetes принадлежит к типу Cossaviricota , который также включает папилломавирусы , полиомавирусы и биднавирусы. Cossaviricota включен в царство Shotokuvirae , которое отнесено к сфере Monodnaviria . Parvoviridae принадлежит к группе II: вирусы одноцепочечной ДНК в системе классификации Балтимора , которая группирует вирусы на основе их способа синтеза мРНК. В пределах Parvoviridae по состоянию на 2020 год признаны три подсемейства, 26 родов и 126 видов (- virinae обозначает подсемейство, а - virus обозначает род): [18] [19]
Парвовирусы относятся к одному виду, если они разделяют не менее 85% идентичности своих белковых последовательностей. Виды группируются вместе в род на основе филогении доменов геликазы NS1 и SF3, а также сходства идентичности и покрытия последовательности NS1. Если эти критерии не выполняются, то роды все равно могут быть установлены при условии, что поддерживается общее происхождение. Три подсемейства различаются на основе филогении домена геликазы SF3, которая соответствует диапазону хозяев: вирусы в Densovirinae заражают беспозвоночных, вирусы в Hamaparvovirinae заражают беспозвоночных и позвоночных, а вирусы в Parvovirinae заражают позвоночных. [18]
У людей наиболее известными парвовирусами, вызывающими заболевание, являются парвовирус B19 и человеческий бокавирус 1. Инфекция B19 часто протекает бессимптомно, но может проявляться различными способами, включая пятую болезнь с ее характерной сыпью у детей, персистирующую анемию у лиц с ослабленным иммунитетом и у людей с фоновыми гемоглобинопатиями , [20] транзиторные апластические кризы , водянку плода у беременных женщин и артропатию . Человеческий бокавирус 1 является частой причиной острой инфекции дыхательных путей, особенно у маленьких детей, частым симптомом которой является хрипы. Другие парвовирусы, связанные с различными заболеваниями у людей, включают человеческий парвовирус 4 и человеческий буфавирус, хотя способ, которым эти вирусы вызывают заболевание, неясен. [6]
Вирусы рода Protoparvovirus , инфицирующие плотоядных животных , в отличие от человеческих парвовирусов, более опасны для жизни. [2] Собачий парвовирус вызывает тяжелое заболевание у собак, наиболее распространенным симптомом которого является геморрагический энтерит, с уровнем смертности до 70% у щенков, но обычно менее 1% у взрослых. [21] Кошачий парвовирус , близкородственный вирус, [22] также вызывает тяжелое заболевание у кошек наряду с панлейкопенией . [23] [24] У свиней свиной парвовирус является основной причиной бесплодия, поскольку инфекция часто приводит к смерти плода. [25]
Аденоассоциированные вирусы стали важным вектором для генной терапии, направленной на лечение генетических заболеваний, таких как вызванные одной мутацией. Рекомбинантный AAV (rAAV) содержит вирусный капсид, но не имеет полного вирусного генома. Вместо этого типичная нуклеиновая кислота, упакованная в капсид, содержит промоторную область, интересующий ген и терминаторную область, все из которых содержатся в двух инвертированных концевых повторах, полученных из вирусного генома. rAAV по сути действует как контейнер, который может пересекать клеточную мембрану и доставлять свой груз нуклеиновой кислоты в ядро. [26] [27]
Парвовирусы были обнаружены относительно поздно по сравнению с другими известными семействами вирусов, возможно, из-за их небольшого размера. В конце 1950-х [28] и 1960-х [29] были обнаружены различные парвовирусы животных, включая крошечный вирус мышей , [30] который с тех пор широко использовался для изучения репликации вращающейся шпильки. [31] Многие AAV были также обнаружены в этот период времени [32] , и их исследование привело к их первому использованию в генной терапии в 1980-х годах. Со временем улучшения в таких аспектах, как дизайн вектора, привели к тому, что определенные продукты генной терапии AAV достигли клинической эффективности в 2008 году и были одобрены в последующие годы. [27]
В 1974 году Тамимом, Н.И. Урби и др. был открыт первый патогенный человеческий парвовирус. При тестировании на поверхностный антиген вируса гепатита В один образец сыворотки дал аномальные результаты, а с помощью электронной микроскопии было показано, что он содержит вирус, напоминающий парвовирусы животных. Этот вирус был назван B19 по кодировке образца сыворотки, номер 19 на панели B. [20] [33] Позднее B19 был признан видом Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV) в 1985 году, и на протяжении 1980-х годов он все больше ассоциировался с различными заболеваниями. [33]
В первом отчете ICTV в 1971 году парвовирусы были сгруппированы в род Parvovirus . [30] [32] Они были повышены до ранга семейства в 1975 году и оставались неотнесенными к более высоким таксонам до 2019 года, когда они были отнесены к более высоким таксонам вплоть до самого высокого ранга, области. [34] Семейство было реорганизовано в 2019 году, отступив от «традиционного» различия беспозвоночных и позвоночных между Densovirinae и Parvovirinae и вместо этого разделив подсемейства на основе филогении геликазы, что привело к созданию нового подсемейства, Hamaparvovirinae . [18]
Парвовирусы получили свое название от латинского parvus или parvum , что означает маленький или крошечный , что указывает на небольшой размер вирионов парвовируса по сравнению с большинством других вирусов. [2] [20] В названии семейства Parvoviridae , -viridae является суффиксом, используемым для семейств вирусов. [35] Порядок Piccovirales берет первую часть своего названия от итальянского слова piccolo , что означает маленький , а вторая часть является суффиксом, используемым для отрядов вирусов. Класс Quintoviricetes берет первую часть своего названия от галисийского слова quinto , что означает пятый , что относится к пятой болезни (инфекционная эритема), вызываемой парвовирусом B19, и viricetes , суффикса, используемого для классов вирусов. [17]
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
Медиа, связанные с Parvoviridae на Wikimedia Commons
Данные, относящиеся к Parvoviridae на Wikispecies