Пикорнавирусы — это группа родственных безоболочечных РНК-вирусов , которые инфицируют позвоночных, включая рыб , [2] млекопитающих и птиц . Это вирусы , представляющие большое семейство небольших одноцепочечных РНК-вирусов с положительной полярностью и икосаэдрическим капсидом размером 30 нм . Вирусы этого семейства могут вызывать ряд заболеваний, включая простуду , полиомиелит , менингит , гепатит и паралич . [ 3] [4] [5] [6]
Пикорнавирусы составляют семейство Picornaviridae , отряд Picornavirales и царство Riboviria . В этом семействе насчитывается 158 видов, относящихся к 68 родам. Известными примерами являются роды Enterovirus (включая Rhinovirus и Poliovirus ), Aphthovirus , Cardiovirus и Hepatovirus . [1] [7]
Название «пикорнавирус» имеет двойную этимологию . Во-первых, название происходит от picorna - что является аббревиатурой от « полиовирус , нечувствительность к эфиру , вирус Коксаки , вирус орфана , риновирус и рибонуклеиновая кислота » . Во-вторых, название происходит от pico- , что обозначает очень маленькую единицу измерения (эквивалентную 10−12 ) , в сочетании с rna для описания этой группы очень маленьких РНК - вирусов . [8]
Первым открытым вирусом животных (1897) был вирус ящура (FMDV). Он является прототипическим членом рода Aphthovirus в семействе Picornaviridae . [5] Анализ бляшек был разработан с использованием полиовируса ; открытие репликации вируса в культуре также было связано с полиовирусом в 1949 году. Это был первый случай, когда инфекционный вирус был получен в культивируемых клетках. [9] Синтез полипротеина , внутренние сайты входа рибосомы и открытая мРНК были обнаружены при изучении клеток, инфицированных полиовирусом, а клон полиовируса был первым инфекционным клоном ДНК, созданным из РНК-вируса у животных. Наряду с риновирусом , полиовирус был первым вирусом животных, структура которого была определена с помощью рентгеновской кристаллографии . РНК-зависимая РНК-полимераза была обнаружена у Mengovirus , рода пикорнавирусов. [10]
Пикорнавирусы не имеют оболочки, имеют икосаэдрический капсид . [4] Капсид представляет собой расположение 60 протомеров в плотно упакованной икосаэдрической структуре. Каждый протомер состоит из четырех полипептидов, известных как VP (вирусный белок) 1, 2, 3 и 4. Полипептиды VP2 и VP4 происходят от одного протомера, известного как VP0, который расщепляется, давая различные компоненты капсида. Говорят, что икосаэдрический капсид имеет триангуляционное число 3, это означает, что в икосаэдрической структуре каждый из 60 треугольников, составляющих капсид, разделен на три маленьких треугольника с субъединицей на углу. [ необходима цитата ]
Многие пикорнавирусы имеют глубокую расщелину, образованную вокруг каждой из 12 вершин икосаэдров. Внешняя поверхность капсида состоит из областей VP1, VP2 и VP3. Вокруг каждой из вершин находится каньон, выстланный C-концами VP1 и VP3. Внутренняя поверхность капсида состоит из VP4 и N-концов VP1. Дж. Эспозито и Фредерик А. Мерфи демонстрируют структуру расщелины, называемую каньонами, с помощью рентгеновской кристаллографии и криоэлектронной микроскопии. [9]
В зависимости от типа и степени дегидратации, вирусная частица имеет диаметр около 30–32 нм. [7] Вирусный геном имеет длину около 2500 нм, поэтому он плотно упакован в капсид вместе с такими веществами, как ионы натрия , для уравновешивания отрицательных зарядов на РНК, вызванных фосфатными группами. [ необходима цитата ]
Пикорнавирусы классифицируются в соответствии с системой классификации вирусов Балтимора как вирусы группы IV, поскольку они содержат одноцепочечный геном РНК с положительным смыслом . Их геном варьируется от 6,7 до 10,1 ( тыс. пар оснований ) в длину. [7] Как и большинство геномов РНК с положительным смыслом, генетический материал сам по себе является инфекционным; хотя он значительно менее вирулентен , чем если бы содержался внутри вирусной частицы, РНК может иметь повышенную инфекционность при трансфекции в клетки. Геном РНК необычен , поскольку имеет белок на 5'-конце, который используется в качестве праймера для транскрипции РНК -полимеразой . Этот праймер называется геномом VPg, и он варьируется от 2 до 3 кб. VPg содержат остаток тирозина на 3'-конце. Тирозин как источник –ОН для ковалентной связи с 5'-концом РНК. [9] [11]
Геном не сегментирован и не имеет положительного смысла (то же значение, что и мРНК млекопитающих, считывается от 5' до 3'). В отличие от мРНК млекопитающих , пикорнавирусы не имеют 5'-кэпа , а имеют вирусно-кодируемый белок, известный как VPg . Однако, как и мРНК млекопитающих, геном имеет поли(А)-хвост на 3'-конце. Нетранслируемая область (UTR) находится на обоих концах генома пикорнавируса. 5'-UTR обычно длиннее, составляя около 500–1200 нуклеотидов (нт) в длину, по сравнению с 3'-UTR, которая составляет около 30–650 нт. Считается, что 5'-UTR важна для трансляции, а 3'-в синтезе отрицательной цепи; однако 5'-конец также может играть роль в вирулентности вируса. Остальная часть генома кодирует структурные белки на 5'-конце и неструктурные белки на 3'-конце в одном полипротеине. [ необходима цитата ]
Полипротеин организован следующим образом: L-1ABCD-2ABC-3ABCD, где каждая буква представляет белок, но существуют вариации этой компоновки. [ необходима ссылка ]
Белки 1A, 1B, 1C и 1D являются капсидными белками VP4, VP2, VP3 и VP1 соответственно. Кодируемые вирусом протеазы выполняют расщепления, некоторые из которых являются внутримолекулярными. Сначала полипротеин разрезается, чтобы получить P1, P2 и P3. P1 становится миристилированным на N-конце, прежде чем расщепляется на VP0, VP3 и VP1, белки, которые образуют прокапсиды; VP0 позже будет расщеплен, чтобы получить VP2 и VP4. Другие продукты расщепления включают 3B (VPg), 2C (АТФаза) и 3D (РНК-полимераза). [9] [12]
Геномные РНК пикорнавирусов обладают множественными элементами РНК, и они необходимы для синтеза как отрицательной, так и положительной цепи РНК. Цис-действующий репликационный элемент (CRE) необходим для репликации. Структура стебля-петли, которая содержит CRE, не зависит от положения, но изменяется в зависимости от положения между типами вируса, когда она была идентифицирована. Кроме того, 3'-концевые элементы вирусной РНК важны и эффективны для репликации РНК пикорнавирусов. 3'-конец пикорнавируса содержит поли(А)-тракт, который необходим для инфекционности. Однако предполагается, что синтез РНК происходит в этой области. 3'-концевой NCR полиовируса не является необходимым для синтеза отрицательной цепи, но является важным элементом для синтеза положительной цепи. Кроме того, 5'-концевой NCR, который содержит вторичные структурные элементы, необходим для репликации РНК и инициации трансляции полиовируса. Внутренние сайты входа рибосомы представляют собой структуры РНК, которые позволяют инициировать трансляцию независимо от кэпа и способны инициировать трансляцию в середине матричной РНК. [13]
Вирусная частица связывается с рецепторами клеточной поверхности. Рецепторы клеточной поверхности характеризуются для каждого серотипа пикорнавирусов. Например, рецептор полиовируса — это гликопротеин CD155, который является специальным рецептором для человека и некоторых других видов приматов. По этой причине полиовирус не мог быть создан во многих лабораториях, пока в 1990-х годах не были разработаны трансгенные мыши, имеющие рецептор CD155 на поверхности клеток. Этих животных можно заражать и использовать для изучения репликации и патогенеза. [9] Связывание вызывает конформационное изменение вирусных капсидных белков, и высвобождается миристиновая кислота . Кислота образует пору в клеточной мембране, через которую вводится РНК. [14]
Оказавшись внутри клетки, РНК снимает оболочку, и геном РНК (+) цепи реплицируется через двухцепочечную РНК-промежуточную, которая образуется с использованием вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразы. Трансляция рибосомами клетки-хозяина не инициируется 5' G-колпачком, как обычно, а инициируется внутренним сайтом входа рибосомы. Жизненный цикл вируса очень быстрый, и весь процесс репликации завершается в среднем в течение 8 часов. Однако всего через 30 минут после первоначального заражения синтез клеточного белка снижается почти до нуля — по сути, макромолекулярный синтез клеточных белков отключается. В течение следующих 1–2 часов в ядре происходит потеря маргинализации хроматина и однородности, прежде чем вирусные белки начнут синтезироваться, и в цитоплазме вблизи ядра появляется вакуоль, которая постепенно начинает распространяться, поскольку время после заражения достигает примерно 3 часов. По истечении этого времени плазматическая мембрана клетки становится проницаемой; через 4–6 часов вирусные частицы собираются и иногда их можно увидеть в цитоплазме. Примерно через 8 часов клетка фактически мертва и лизируется, чтобы высвободить вирусные частицы. [ необходима цитата ]
Экспериментальные данные экспериментов с одношаговой кривой роста позволили детально наблюдать репликацию пикорнавирусов. Вся репликация происходит в цитоплазме клетки-хозяина, и заражение может произойти даже в клетках, не содержащих ядра ( безъядерных), и в клетках, обработанных актиномицином D (этот антибиотик подавлял бы репликацию вируса, если бы она происходила в ядре). [ необходима цитата ]
Перевод происходит путем -1 рибосомного сдвига рамки, вирусной инициации и рибосомного пропуска. Вирус покидает клетку-хозяина путем лизиса и виропоринов. Позвоночные служат естественными хозяевами. Пути передачи - фекально-оральный, контактный, через пищу и через частицы, переносимые по воздуху. [4]
Пикорнавирусы имеют вирусный белок ( VPg ), ковалентно связанный с 5'-концом их геномов вместо 7-метилгуанозинового колпачка, как у клеточных мРНК. Вирусные РНК-полимеразы используют VPg в качестве праймера. VPg в качестве праймера использует синтез РНК как с положительной, так и с отрицательной цепью. Репликация пикорнавируса инициируется уридилированием VPg. Он уридилируется по гидроксильной группе остатка тирозина. [3] Механизм праймера VPg используется пикорнавирусами (энтеро-, афто- и др.), дополнительными группами вирусов (поти-, комо-, калици- и др.) и пикорнавирусоподобной (коронавирус, нотавирус и др.) супергруппой РНК-вирусов. Этот механизм лучше всего изучен для энтеровирусов (которые включают в себя множество человеческих патогенов, таких как вирус полиомиелита и вирусы Коксаки ), а также для афтовируса, патогена животных, вызывающего ящур. [ необходима цитата ]
В этой группе праймер-зависимый синтез РНК использует небольшой вирусный белок длиной от 22 до 25 аминокислот, связанный с VPg [15], для инициирования полимеразной активности, где праймер ковалентно связан с 5'-концом шаблона РНК. [16] Уридилирование происходит по остатку тирозина в третьей позиции VPg. CRE, который является структурой петли РНК, служит матрицей для уридилирования VPg, что приводит к синтезу VPgpUpUOH. Мутации в структуре CRE-РНК предотвращают уридилирование VPg, а мутации в последовательности VPg могут серьезно снизить каталитическую активность RdRp. [17] В то время как тирозиновый гидроксил VPg может инициировать синтез отрицательной цепи РНК независимо от CRE и VPgpUpUOH, CRE-зависимый синтез VPgpUpUOH абсолютно необходим для синтеза положительной цепи РНК. Уридилирование VPg, зависящее от CRE, снижает K m¬ UTP, необходимое для репликации вирусной РНК и CRE-зависимого синтеза VPgpUpUOH, и требуется для эффективного синтеза отрицательной цепи РНК, особенно когда концентрации UTP ограничены. [18] Праймер VPgpUpUOH переносится на 3'-конец матрицы РНК для удлинения, которое может продолжаться путем добавления нуклеотидных оснований с помощью RdRp. Частичные кристаллические структуры для VPgs вируса ящура [19] и вируса Коксаки B3 [20] предполагают, что на вирусной полимеразе могут быть два участка для малых VPgs пикорнавирусов. Структуры растворов ЯМР полиовируса VPg [21] и VPgpU [22] показывают, что уридилирование стабилизирует структуру VPg, которая в противном случае является довольно гибкой в растворе. Второй сайт может быть использован для уридилирования,v после чего VPgpU может инициировать синтез РНК. Праймеры VPg калицивирусов, структуры которых только начинают раскрываться, [23] намного больше, чем у пикорнавирусов. Механизмы уридилирования и праймирования могут быть совершенно разными во всех этих группах. [ необходима цитата ]
Уридилирование VPg может включать использование белков-предшественников, что позволяет определить возможный механизм расположения диуридилированного, содержащего VPg предшественника на 3'-конце положительной или отрицательной цепи РНК для получения полноразмерной РНК. Детерминанты эффективности уридилирования VPg предполагают образование и/или коллапс или высвобождение уридилированного продукта в качестве ограничивающего скорость этапа in vitro в зависимости от используемого донора VPg. [24] Белки-предшественники также оказывают влияние на специфичность и стабильность VPg-CRE. [25] Верхняя петля РНК-стебля, с которой связывается VPg, оказывает значительное влияние как на удержание, так и на рекрутирование VPg и Pol. Стеблевая петля CRE будет частично раскручиваться, позволяя компонентам-предшественникам связываться и рекрутировать VPg и Pol4. Петля CRE имеет определенную консенсусную последовательность, с которой связываются компоненты инициации, но для поддерживающего стебля консенсусной последовательности не существует, что предполагает, что важна только структурная стабильность CRE. [26]
VPg также может играть важную роль в специфическом распознавании вирусного генома белками движения (MP), которые являются неструктурными белками, кодируемыми многими, если не всеми, вирусами растений, чтобы обеспечить их перемещение из одной инфицированной клетки в соседние клетки. [27] MP и VPg взаимодействуют, обеспечивая специфичность для транспортировки вирусной РНК из клетки в клетку. Для удовлетворения энергетических потребностей MP также взаимодействует с P10, который является клеточной АТФазой. [ необходима цитата ]
Пикорнавирусы вызывают ряд заболеваний. Энтеровирусы семейства пикорнавирусов поражают кишечный тракт, что отражено в их названии. Риновирусы поражают в первую очередь нос и горло . Энтеровирусы размножаются при температуре 37 °C, тогда как риновирусы лучше растут при 33 °C, так как это более низкая температура носа. Энтеровирусы стабильны в кислых условиях, поэтому они способны выживать при воздействии желудочной кислоты . Напротив, риновирусы кислотолабильны (инактивируются или разрушаются в условиях низкого pH ), поэтому риновирусные инфекции ограничиваются носом и горлом. [ необходима цитата ]
Признаны следующие роды: [1]