Ретровирус — это тип вируса , который встраивает ДНК-копию своего РНК- генома в ДНК клетки - хозяина , в которую он проникает, изменяя таким образом геном этой клетки. [2] После проникновения в цитоплазму клетки-хозяина вирус использует свой собственный фермент обратной транскриптазы для производства ДНК из своего РНК-генома, что является противоположностью обычной схемы, то есть ретро (назад). Новая ДНК затем включается в геном клетки-хозяина с помощью фермента интегразы , после чего ретровирусная ДНК называется провирусом . Затем клетка-хозяин рассматривает 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 человека, других млекопитающих и птиц. [3]
Ретровирусы имеют множество подсемейств в трех основных группах.
Специализированные ферменты ДНК-инфильтрации ретровирусов делают их ценными исследовательскими инструментами в молекулярной биологии, и они успешно используются в системах доставки генов. [6]
Данные об эндогенных ретровирусах (унаследованная ДНК провируса в геномах животных) позволяют предположить, что ретровирусы заражают позвоночных уже по крайней мере 450 миллионов лет. [7]
Вирионы , вирусы в виде самостоятельных частиц ретровирусов, состоят из оболочек диаметром около 100 нм . Наружная липидная оболочка состоит из гликопротеина. [8] Вирионы также содержат две идентичные одноцепочечные молекулы РНК длиной 7–10 тыс. нуклеотидов . Две молекулы присутствуют в виде димера, образованного спариванием оснований между комплементарными последовательностями. Места взаимодействия между двумя молекулами РНК были идентифицированы как « целующаяся стебель-петля ». [3] Хотя вирионы разных ретровирусов не имеют одинаковой морфологии и биологии, все компоненты вириона очень похожи. [9]
Основными компонентами вириона являются:
Ретровирусный геном упакован в виде вирусных частиц. Эти вирусные частицы представляют собой димеры одноцепочечных линейных молекул РНК с положительным смыслом. [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. Область 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 спамавирусов, род HTLV/вируса лейкемии крупного рогатого скота (BLV) и недавно интродуцированный род рыбных вирусов относятся к ретровирусам, классифицируемым как сложные. Эти вирусы имеют гены, называемые дополнительными генами, в дополнение к генам gag, pro, pol и env. Акцессорные гены расположены между pol и env, ниже env, включая область U3 LTR, или в env и перекрывающихся частях. Хотя акцессорные гены выполняют вспомогательную роль, они также координируют и регулируют экспрессию вирусных генов. Кроме того, некоторые ретровирусы могут нести гены, называемые онкогенами, или гены onc из другого класса. Ретровирусы с этими генами (их еще называют трансформирующими вирусами) известны своей способностью быстро вызывать опухоли у животных и переводить клетки в культуре в онкогенное состояние. [20]
Полипротеины расщепляются на более мелкие белки, каждый из которых выполняет свою 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 , сейчас составляют 5–8% генома человека. [21] Большинство вставок не имеют какой-либо известной функции, и их часто называют « мусорной ДНК ». Однако многие эндогенные ретровирусы играют важную роль в биологии хозяина, например, контроль транскрипции генов, слияние клеток во время развития плаценты в ходе прорастания эмбриона и устойчивость к экзогенной ретровирусной инфекции. Эндогенным ретровирусам также уделяется особое внимание при исследовании патологий, связанных с иммунологией , таких как аутоиммунные заболевания , такие как рассеянный склероз , хотя еще не доказано, что эндогенные ретровирусы играют какую-либо причинную роль в этом классе заболеваний. [22]
Традиционно считалось, что транскрипция происходит только от ДНК к РНК, но обратная транскриптаза транскрибирует РНК в ДНК. Термин «ретро» в ретровирусе относится к такому изменению (преобразованию 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 быть передана 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, попадающие в цитозоль. Затем некоторые из этих молекул РНК транслируются в вирусные белки. Белки, кодируемые генами gag и pol, транслируются с мРНК длиной в геном в полипротеины Gag и Gag-Pol. Например, для гена gag ; он транслируется в молекулы капсидного белка и гена pol ; он транслируется в молекулы обратной транскриптазы. Ретровирусам требуется гораздо больше белков Gag, чем белков Pol, и они разработали усовершенствованные системы для синтеза необходимого количества каждого из них. Например, после синтеза Gag почти 95 процентов рибосом прекращают трансляцию, в то время как другие рибосомы продолжают трансляцию, синтезируя Gag-Pol. В шероховатой эндоплазматической сети начинается гликозилирование, и ген env транслируется со сплайсированных мРНК в шероховатой эндоплазматической сети в молекулы белка оболочки. Когда молекулы белка оболочки переносятся в комплекс Гольджи, они разделяются на поверхностный гликопротеин и трансмембранный гликопротеин с помощью протеазы хозяина. Эти два гликопротеиновых продукта остаются в тесной связи и после дальнейшего гликозилирования транспортируются к плазматической мембране. [3]
Важно отметить, что ретровирус должен «внести» в свой капсид собственную обратную транскриптазу , иначе он не сможет использовать ферменты инфицированной клетки для выполнения задачи из-за необычной природы производства ДНК из РНК. [ нужна цитата ]
Промышленные лекарства, разработанные как ингибиторы протеаз и обратной транскриптазы , производятся таким образом, что они воздействуют 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 ферментов и, таким образом, позволяют избежать нацеливания лекарства за счет потери сайтов, на которые оно фактически нацелено. [ нужна цитата ]
Поскольку в обратной транскрипции отсутствует обычная корректура репликации ДНК, ретровирус очень часто мутирует . Это позволяет вирусу быстро стать устойчивым к противовирусным препаратам и препятствует разработке эффективных вакцин и ингибиторов ретровируса. [23]
Одна из трудностей, с которой сталкиваются некоторые ретровирусы, такие как ретровирус Молони, связана с необходимостью активного деления клеток для трансдукции. В результате клетки, такие как нейроны, очень устойчивы к инфекции и трансдукции ретровирусами. Это вызывает опасения, что инсерционный мутагенез вследствие интеграции в геном хозяина может привести к раку или лейкемии. В этом отличие от лентивирусов , рода Retroviridae , которые способны интегрировать свою РНК в геном неделящихся клеток-хозяев. [ нужна цитата ]
В каждую ретровирусную частицу упакованы два генома РНК , но после заражения каждый вирус генерирует только один провирус . [24] После заражения происходит обратная транскрипция и этот процесс сопровождается рекомбинацией . Рекомбинация включает переключение цепи матрицы между двумя копиями генома (рекомбинация выбора 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 поврежденных геномов. [24]
ДНК, образующаяся после обратной транскрипции (провирус), длиннее генома РНК, поскольку на каждом из концов имеются последовательности U3-R-U5, называемые длинным терминальным повтором (LTR). Таким образом, 5'-конец имеет дополнительную последовательность U3, а другой терминал 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 и, следовательно, весь ход вирусного цикла. [27] Несмотря на то, что неинтегрированная ретровирусная кДНК расположена 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 в виде провируса, который может передаваться клеткам-потомкам. ДНК ретровируса случайным образом вставляется в геном хозяина. Из-за этого его можно внедрить 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 активируются при изменении клеточной среды. [ нужна цитата ]
Исследования ретровирусов привели к первому продемонстрированному синтезу ДНК из матриц РНК — фундаментальному способу передачи генетического материала, который происходит как у эукариот , так и у прокариот . Было высказано предположение, что процессы транскрипции РНК в ДНК, используемые ретровирусами, возможно, впервые привели к использованию ДНК в качестве генетического материала. В этой модели, гипотезе мира РНК , клеточные организмы переняли более химически стабильную ДНК, когда ретровирусы развились для создания ДНК из шаблонов РНК . [ нужна цитата ]
По оценкам даты эволюции пенообразных эндогенных ретровирусов, время существования самого недавнего общего предка составило > 450 миллионов лет назад . [28]
Разработаны гаммаретровирусные и лентивирусные векторы для генной терапии , которые обеспечивают стабильную генетическую модификацию обработанных клеток путем хромосомной интеграции перенесенных векторных геномов. Эту технологию можно использовать не только в исследовательских целях, но и для клинической генной терапии, направленной на долгосрочную коррекцию генетических дефектов, например, в стволовых клетках и клетках-предшественниках. Созданы ретровирусные векторные частицы, обладающие тропизмом к различным клеткам-мишеням. Гаммаретровирусные и лентивирусные векторы к настоящему времени использовались в более чем 300 клинических испытаниях, посвященных вариантам лечения различных заболеваний. [6] [29] Ретровирусные мутации могут быть разработаны для создания моделей трансгенных мышей для изучения различных видов рака и их метастатических моделей . [ нужна цитата ]
Ретровирусы, вызывающие рост опухоли, включают вирус саркомы Рауса и вирус опухоли молочной железы мышей . Рак может быть вызван протоонкогенами, которые были ошибочно включены в провирусную ДНК, или разрушением клеточных протоонкогенов. Вирус саркомы Рауса содержит ген src , который запускает образование опухоли. Позже было обнаружено, что в передаче сигналов в клетках участвует аналогичный ген, который, скорее всего, был вырезан из провирусной ДНК. Нетрансформирующиеся вирусы могут случайным образом вставлять свою ДНК в протоонкогены, нарушая экспрессию белков, регулирующих клеточный цикл. Промотор ДНК провируса также может вызывать чрезмерную экспрессию регуляторных генов. Ретровирусы могут вызывать такие заболевания, как рак и иммунодефицит. Если вирусная ДНК интегрируется в хромосомы хозяина, это может привести к необратимым инфекциям. Поэтому важно выяснить реакцию организма на ретровирусы. Экзогенные ретровирусы особенно связаны с патогенными заболеваниями. Например, у мышей есть вирус опухоли молочной железы мышей (MMTV), который является ретровирусом. Этот вирус передается новорожденным мышам через грудное молоко. В возрасте 6 месяцев мыши, несущие вирус, заболевают раком молочной железы из-за ретровируса. Кроме того, вирус лейкемии I (HTLV-1), обнаруженный в Т-клетках человека, уже много лет обнаруживается у людей. Подсчитано, что этот ретровирус вызывает лейкемию в возрасте от 40 до 50 лет. [30] Он имеет воспроизводимую структуру, которая может вызывать рак. Помимо обычной последовательности генов ретровирусов, HTLV-1 содержит четвертую область — PX. Эта область 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 в зависимости от способа синтеза информационной РНК , они подразделяются на две группы: группа VI: вирусы с одноцепочечной РНК с промежуточной ДНК в их жизненном цикле, и группа VII: двухцепочечные РНК-вирусы. ДНК-вирусы с промежуточной РНК в жизненном цикле. [ нужна цитата ]
Все члены группы VI используют кодируемую вирусом обратную транскриптазу , РНК-зависимую ДНК-полимеразу, для производства ДНК из исходного РНК-генома вириона. Эта ДНК часто интегрируется в геном хозяина, как в случае ретровирусов и псевдовирусов , где она реплицируется и транскрибируется хозяином.
В группу VI входят:
Семейство Retroviridae ранее было разделено на три подсемейства ( Oncovirinae , Lentivirinae и Spumavirinae ), но теперь разделено на два: Orthoretrovirinae и Spumaretrovirinae . Термин «онковирус» в настоящее время широко используется для описания вируса, вызывающего рак. В настоящее время в это семейство входят следующие роды:
Обратите внимание, что согласно ICTV 2017, род Spumavirus был разделен на пять родов, а его прежний типовой вид Simian Foamy Virus теперь повышен до рода Simiispumavirus с не менее чем 14 видами, включая новый типовой вид Восточного шимпанзе, обезьяний пенистый вирус . [32]
Оба семейства в группе VII имеют геномы ДНК, содержащиеся в вторгающихся вирусных частицах. Геном ДНК транскрибируется как в мРНК для использования в качестве транскрипта при синтезе белка, так и в прегеномную РНК для использования в качестве матрицы во время репликации генома. Обратная транскриптаза, кодируемая вирусом, использует прегеномную РНК в качестве матрицы для создания геномной ДНК.
В группу VII входят:
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 классификационную систему и в целом подразделяются на три класса на основе родства с экзогенными родами:
Ретровирусы оказались в центре внимания нескольких недавних заявлений и утверждений, которые были в значительной степени дискредитированы научным сообществом. Первоначальное исследование, проведенное в 2009 году, казалось, позволило сделать новые выводы, которые могут изменить некоторые устоявшиеся знания по этой теме. Однако, хотя более поздние исследования опровергли некоторые утверждения о ретровирусах, есть несколько противоречивых фигур, которые продолжают делать заявления, которые в целом считаются не имеющими веских оснований или консенсуса в поддержку этих утверждений. [35] [36] [37]
Антиретровирусные препараты — это препараты для лечения инфекций, вызванных ретровирусами, в первую очередь ВИЧ . Различные классы антиретровирусных препаратов действуют на разных стадиях жизненного цикла ВИЧ . Комбинация нескольких (обычно трех или четырех) антиретровирусных препаратов известна как высокоактивная антиретровирусная терапия (ВААРТ). [38]
Вирус лейкемии кошек и инфекции, вызванные вирусом иммунодефицита кошек , лечат биологическими препаратами , в том числе единственным иммуномодулятором, лицензированным в настоящее время для продажи в США, модулятором иммунитета Т-лимфоцитов (LTCI). [39]