Ретровирус — это тип вируса , который вставляет копию ДНК своего РНК- генома в ДНК клетки- хозяина , в которую он вторгается, тем самым изменяя геном этой клетки. [2] После вторжения в цитоплазму клетки-хозяина вирус использует свой собственный фермент обратной транскриптазы для производства ДНК из своего РНК-генома, в обратном порядке, то есть ретро (назад). Затем новая ДНК включается в геном клетки-хозяина ферментом интегразой , и в этот момент ретровирусная ДНК называется провирусом . Затем клетка-хозяин обрабатывает вирусную ДНК как часть своего собственного генома, транскрибируя и транслируя вирусные гены вместе с собственными генами клетки, производя белки, необходимые для сборки новых копий вируса. Многие ретровирусы вызывают серьезные заболевания у людей, других млекопитающих и птиц. [3]
Ретровирусы имеют множество подсемейств в трех основных группах.
Специализированные ферменты ДНК-инфильтрации в ретровирусах делают их ценными инструментами для исследований в молекулярной биологии, и они успешно используются в системах доставки генов. [6]
Данные, полученные от эндогенных ретровирусов (унаследованная ДНК провируса в геномах животных), свидетельствуют о том, что ретровирусы заражают позвоночных уже по меньшей мере 450 миллионов лет. [7]
Вирионы , вирусы в форме независимых частиц ретровирусов, состоят из оболочек диаметром около 100 нм . Внешняя липидная оболочка состоит из гликопротеина. [8] Вирионы также содержат две идентичные одноцепочечные молекулы РНК длиной 7–10 килобаз . Две молекулы присутствуют в виде димера, образованного спариванием оснований между комплементарными последовательностями. Места взаимодействия между двумя молекулами РНК были идентифицированы как « целующийся стебель-петля ». [3] Хотя вирионы разных ретровирусов не имеют одинаковой морфологии или биологии, все компоненты вириона очень похожи. [9]
Основными компонентами вириона являются:
Геном ретровируса упакован в виде вирусных частиц. Эти вирусные частицы представляют собой димеры одноцепочечных, положительно-полярных, линейных молекул РНК. [10]
Ретровирусы (и ортервирусы в целом) следуют схеме 5'– gag – pro – pol – env –3' в геноме РНК. gag и pol кодируют полипротеины, каждый из которых управляет капсидом и репликацией. Регион pol кодирует ферменты, необходимые для репликации вируса, такие как обратная транскриптаза, протеаза и интеграза. [19] В зависимости от вируса гены могут перекрываться или сливаться в более крупные полипротеиновые цепи. Некоторые вирусы содержат дополнительные гены. Род лентивирусов, род спумавирусов, род вируса лейкемии крупного рогатого скота (BLV) и недавно введенный род вируса рыб являются ретровирусами, классифицируемыми как сложные. Эти вирусы имеют гены, называемые вспомогательными генами, в дополнение к генам gag, pro, pol и env. Вспомогательные гены расположены между pol и env, ниже по течению от env, включая регион U3 LTR, или в env и перекрывающихся частях. Хотя вспомогательные гены играют вспомогательную роль, они также координируют и регулируют экспрессию вирусных генов. Кроме того, некоторые ретровирусы могут нести гены, называемые онкогенами или генами onc из другого класса. Ретровирусы с этими генами (также называемые трансформирующими вирусами) известны своей способностью быстро вызывать опухоли у животных и трансформировать клетки в культуре в онкогенное состояние. [20]
Полипротеины расщепляются на более мелкие белки, каждый из которых имеет свою собственную функцию. Нуклеотиды, кодирующие их, известны как субгены . [18]
Когда ретровирусы интегрируют свой собственный геном в зародышевую линию , их геном передается следующему поколению. Эти эндогенные ретровирусы (ERV), в отличие от экзогенных , теперь составляют 5–8% человеческого генома. [21] Большинство вставок не имеют известной функции и часто называются « мусорной ДНК ». Однако многие эндогенные ретровирусы играют важную роль в биологии хозяина, например, контролируют транскрипцию генов, слияние клеток во время развития плаценты в ходе прорастания эмбриона и устойчивость к экзогенной ретровирусной инфекции. Эндогенные ретровирусы также получили особое внимание в исследованиях патологий , связанных с иммунологией , таких как аутоиммунные заболевания , такие как рассеянный склероз , хотя пока не доказано, что эндогенные ретровирусы играют какую-либо причинную роль в этом классе заболеваний. [22]
В то время как классически считалось, что транскрипция происходит только от ДНК к РНК, обратная транскриптаза транскрибирует РНК в ДНК. Термин «ретро» в ретровирусе относится к этому изменению (превращению ДНК из РНК) обычного направления транскрипции. Он по-прежнему подчиняется центральной догме молекулярной биологии , которая гласит, что информация может передаваться от нуклеиновой кислоты к нуклеиновой кислоте, но не может передаваться обратно от белка ни к белку, ни к нуклеиновой кислоте. Активность обратной транскриптазы за пределами ретровирусов была обнаружена почти у всех эукариот , что позволяет генерировать и вставлять новые копии ретротранспозонов в геном хозяина. Эти вставки транскрибируются ферментами хозяина в новые молекулы РНК, которые попадают в цитозоль. Затем некоторые из этих молекул РНК транслируются в вирусные белки. Белки, кодируемые генами gag и pol, транслируются из мРНК длиной в геном в полипротеины Gag и Gag–Pol. Например, для гена gag ; он транслируется в молекулы капсидного белка, а для гена pol ; он транслируется в молекулы обратной транскриптазы. Ретровирусам требуется гораздо больше белков Gag, чем белков Pol, и они разработали передовые системы для синтеза необходимого количества каждого из них. Например, после синтеза Gag почти 95 процентов рибосом завершают трансляцию, в то время как другие рибосомы продолжают трансляцию, чтобы синтезировать Gag–Pol. В шероховатом эндоплазматическом ретикулуме начинается гликозилирование, и ген env транслируется из сплайсированных мРНК в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме в молекулы белка оболочки. Когда молекулы белка оболочки переносятся в комплекс Гольджи, они разделяются на поверхностный гликопротеин и трансмембранный гликопротеин протеазой хозяина. Эти два гликопротеиновых продукта остаются в тесной связи и транспортируются к плазматической мембране после дальнейшего гликозилирования. [3]
Важно отметить, что ретровирус должен «принести» свою собственную обратную транскриптазу в свой капсид , в противном случае он не сможет использовать ферменты инфицированной клетки для выполнения своей задачи из-за необычной природы производства ДНК из РНК. [ необходима цитата ]
Промышленные препараты, разработанные как ингибиторы протеазы и обратной транскриптазы, производятся таким образом, чтобы они воздействовали на определенные сайты и последовательности в соответствующих ферментах. Однако эти препараты могут быстро стать неэффективными из-за того, что последовательности генов, кодирующие протеазу и обратную транскриптазу, быстро мутируют. Эти изменения в основаниях приводят к изменению определенных кодонов и сайтов с ферментами и, таким образом, избегают воздействия препарата, теряя сайты, на которые препарат фактически воздействует. [ необходима цитата ]
Поскольку обратная транскрипция не имеет обычной проверки репликации ДНК, ретровирус мутирует очень часто. Это позволяет вирусу быстро становиться устойчивым к противовирусным препаратам и препятствует разработке эффективных вакцин и ингибиторов для ретровируса. [23]
Одна из трудностей, с которой сталкиваются некоторые ретровирусы, такие как ретровирус Молони, заключается в необходимости активного деления клеток для трансдукции. В результате клетки, такие как нейроны, очень устойчивы к инфицированию и трансдукции ретровирусами. Это вызывает опасения, что инсерционный мутагенез из-за интеграции в геном хозяина может привести к раку или лейкемии. Это не похоже на лентивирусы , род Retroviridae , которые способны интегрировать свою РНК в геном неделящихся клеток хозяина. [ необходима цитата ]
Два РНК- генома упакованы в каждую частицу ретровируса, но после заражения каждый вирус генерирует только один провирус . [24] После заражения происходит обратная транскрипция , и этот процесс сопровождается рекомбинацией . Рекомбинация включает переключение цепи шаблона между двумя копиями генома (рекомбинация с выбором копии) во время обратной транскрипции. В каждом цикле репликации происходит от 5 до 14 событий рекомбинации на геном. [25] Генетическая рекомбинация, по-видимому, необходима для поддержания целостности генома и как механизм восстановления для спасения поврежденных геномов. [24]
ДНК, образованная после обратной транскрипции (провирус), длиннее генома РНК, поскольку каждый из концов имеет последовательности U3 - R - U5, называемые длинными концевыми повторами (LTR). Таким образом, 5'-конец имеет дополнительную последовательность U3, в то время как другой конец имеет последовательность U5. [15] LTR способны посылать сигналы для выполнения жизненно важных задач, таких как инициация производства РНК или управление скоростью транскрипции. Таким образом, LTR могут контролировать репликацию, а следовательно, и весь ход вирусного цикла. [27] Хотя неинтегрированная ретровирусная кДНК находится в ядре, она является очень слабым субстратом для транскрипции. По этой причине интегрированный провирус необходим для постоянной и эффективной экспрессии ретровирусных генов. [10]
Эта ДНК может быть включена в геном хозяина как провирус, который может быть передан клеткам-потомкам. ДНК ретровируса вставляется в геном хозяина случайным образом. Благодаря этому она может быть вставлена в онкогены . Таким образом, некоторые ретровирусы могут превращать нормальные клетки в раковые. Некоторые провирусы остаются латентными в клетке в течение длительного периода времени, прежде чем они активируются изменением в клеточной среде. [ необходима цитата ]
Исследования ретровирусов привели к первому продемонстрированному синтезу ДНК из РНК-матриц, фундаментальному способу передачи генетического материала, который встречается как у эукариот , так и у прокариот . Было высказано предположение, что процессы транскрипции РНК в ДНК, используемые ретровирусами, могли впервые привести к использованию ДНК в качестве генетического материала. В этой модели, гипотезе мира РНК , клеточные организмы переняли более химически стабильную ДНК, когда ретровирусы эволюционировали, чтобы создавать ДНК из РНК- матриц. [ необходима цитата ]
Оценка даты эволюции пенистых эндогенных ретровирусов показала, что время существования последнего общего предка составляет > 450 миллионов лет назад . [28]
Были разработаны гаммаретровирусные и лентивирусные векторы для генной терапии , которые опосредуют стабильную генетическую модификацию обработанных клеток путем хромосомной интеграции перенесенных векторных геномов. Эта технология полезна не только для исследовательских целей, но и для клинической генной терапии, направленной на долгосрочную коррекцию генетических дефектов, например, в стволовых и прогениторных клетках. Были разработаны ретровирусные векторные частицы с тропизмом к различным целевым клеткам. Гаммаретровирусные и лентивирусные векторы до сих пор использовались в более чем 300 клинических испытаниях, посвященных вариантам лечения различных заболеваний. [6] [29] Ретровирусные мутации могут быть разработаны для создания трансгенных моделей мышей для изучения различных видов рака и их метастатических моделей . [ необходима цитата ]
Ретровирусы, вызывающие рост опухолей, включают вирус саркомы Рауса и вирус опухоли молочной железы у мышей . Рак может быть вызван протоонкогенами, которые были ошибочно включены в провирусную ДНК, или нарушением клеточных протоонкогенов. Вирус саркомы Рауса содержит ген src , который запускает образование опухоли. Позже было обнаружено, что аналогичный ген в клетках участвует в клеточной сигнализации, которая, скорее всего, была вырезана вместе с провирусной ДНК. Нетрансформирующиеся вирусы могут случайным образом вставлять свою ДНК в протоонкогены, нарушая экспрессию белков, регулирующих клеточный цикл. Промотор провирусной ДНК также может вызывать сверхэкспрессию регуляторных генов. Ретровирусы могут вызывать такие заболевания, как рак и иммунодефицит. Если вирусная ДНК интегрируется в хромосомы хозяина, это может привести к постоянным инфекциям. Поэтому важно выяснить реакцию организма на ретровирусы. Экзогенные ретровирусы особенно связаны с патогенными заболеваниями. Например, у мышей есть вирус опухоли молочной железы у мышей (MMTV), который является ретровирусом. Этот вирус передается новорожденным мышам через грудное молоко. Когда им исполняется 6 месяцев, мыши, несущие вирус, заболевают раком молочной железы из-за ретровируса. Кроме того, вирус лейкемии I (HTLV-1), обнаруженный в человеческих Т-клетках, обнаруживается у людей уже много лет. Предполагается, что этот ретровирус вызывает лейкемию в возрасте 40 и 50 лет. [30] Он имеет реплицируемую структуру, которая может вызывать рак. В дополнение к обычной последовательности генов ретровирусов, HTLV-1 содержит четвертый регион, PX. Этот регион кодирует регуляторные белки Tax, Rex, p12, p13 и p30. Белок Tax инициирует лейкозный процесс и организует транскрипцию всех вирусных генов в интегрированной провирусной ДНК HTLV. [31]
Экзогенные ретровирусы — это инфекционные РНК- или ДНК-содержащие вирусы, которые передаются от одного организма к другому. В системе классификации Балтимора , которая группирует вирусы на основе их способа синтеза информационной РНК , они делятся на две группы: Группа VI: одноцепочечные РНК-вирусы с промежуточным звеном ДНК в их жизненном цикле, и Группа VII: двухцепочечные ДНК-вирусы с промежуточным звеном РНК в их жизненном цикле. [ необходима цитата ]
Все члены группы VI используют вирусно-кодируемую обратную транскриптазу , РНК-зависимую ДНК-полимеразу, для получения ДНК из исходного генома РНК вириона. Эта ДНК часто интегрируется в геном хозяина, как в случае ретровирусов и псевдовирусов , где она реплицируется и транскрибируется хозяином.
Группа VI включает:
Семейство Retroviridae ранее делилось на три подсемейства ( Oncovirinae , Lentivirinae и Spumavirinae ), но теперь разделено на два: Orthoretrovirinae и Spumaretrovirinae . Термин онковирус теперь обычно используется для описания вируса, вызывающего рак. Это семейство теперь включает следующие роды:
Обратите внимание, что по данным ICTV 2017, род Spumavirus был разделен на пять родов, а его бывший типовой вид Simian foamy virus теперь повышен до рода Simiispumavirus, насчитывающего не менее 14 видов, включая новый типовой вид Eastern chimpanzee simian foamy virus . [32]
Оба семейства в группе VII имеют ДНК-геномы, содержащиеся во вторгающихся вирусных частицах. ДНК-геном транскрибируется как в мРНК, для использования в качестве транскрипта в синтезе белка, так и в прегеномную РНК, для использования в качестве шаблона во время репликации генома. Вирусно-кодируемая обратная транскриптаза использует прегеномную РНК в качестве шаблона для создания геномной ДНК.
Группа VII включает:
Последнее семейство тесно связано с недавно предложенным
в то время как семейства Belpaoviridae , Metaviridae , Pseudoviridae , Retroviridae и Caulimoviridae составляют порядок Ortervirales . [34]
Эндогенные ретровирусы формально не включены в эту систему классификации и в целом подразделяются на три класса на основе родства с экзогенными родами:
Ретровирусы были в центре внимания нескольких недавних заявлений и утверждений, которые были в значительной степени дискредитированы научным сообществом. Первоначальное исследование в 2009 году, казалось, сделало новые выводы, которые могут изменить некоторые из устоявшихся знаний по этой теме. Однако, хотя более поздние исследования опровергли некоторые заявления, сделанные о ретровирусах, есть несколько спорных фигур, которые продолжают делать заявления, которые в целом считаются не имеющими какой-либо обоснованной основы или консенсуса в поддержку этих заявлений. [35] [36] [37]
Антиретровирусные препараты — это лекарства для лечения инфекции ретровирусами, в первую очередь ВИЧ . Различные классы антиретровирусных препаратов действуют на разных стадиях жизненного цикла ВИЧ . Сочетание нескольких (обычно трех или четырех) антиретровирусных препаратов известно как высокоактивная антиретровирусная терапия (ВААРТ). [38]
Инфекции вируса лейкемии кошек и вируса иммунодефицита кошек лечатся биологическими препаратами , включая единственный иммуномодулятор, в настоящее время лицензированный для продажи в Соединенных Штатах, лимфоцитарный Т-клеточный иммуномодулятор (LTCI). [39]