Аденовирусы (представители семейства Adenoviridae ) — это средние (90–100 нм ) безоболочечные (без внешнего липидного бислоя) вирусы с икосаэдрическим нуклеокапсидом , содержащим двухцепочечный ДНК- геном. [2] Их название происходит от их первоначального выделения из аденоидов человека в 1953 году. [3]
У них есть широкий спектр позвоночных- хозяев; Было обнаружено , что у людей более 50 различных серотипов аденовируса вызывают широкий спектр заболеваний : от легких респираторных инфекций у маленьких детей (известных как простуда ) до опасных для жизни полиорганных заболеваний у людей с ослабленной иммунной системой . [2]
В это семейство входят следующие роды : [4]
У человека в настоящее время существует 88 аденовирусов человека (HAdV) семи видов (аденовирусы человека от A до G): [5]
Различные типы/серотипы связаны с разными состояниями: [12]
Все эти типы ICTV называют мастаденовирусом человека A – G , поскольку все они являются членами рода Mastadenovirus .
Аденовирусы имеют средний размер (90–100 нм). [2] Вирионы состоят из одного линейного фрагмента двухцепочечной ДНК внутри икосаэдрического капсида . 240 белков-гексонов составляют основную часть капсида, а углы икосаэдра закрывают двенадцать пентонных оснований. Основания пентона связаны с выступающими волокнами, которые помогают прикрепиться к клетке- хозяину через рецептор на ее поверхности. [14]
В 2010 году структура аденовируса человека была решена на атомном уровне, что сделало ее крупнейшей моделью высокого разрешения за всю историю. Вирус состоит примерно из 1 миллиона аминокислотных остатков и весит около 150 МДа . [15] [16]
Геном аденовируса представляет собой линейную несегментированную двухцепочечную (ds) ДНК длиной от 26 до 48 т.п.н. [2] Это позволяет вирусу теоретически нести от 22 до 40 генов . Хотя он значительно крупнее других вирусов из своей балтиморской группы , он по-прежнему остается очень простым вирусом, выживание и репликация которого во многом зависят от клетки-хозяина. Гены аденовирусов обычно можно разделить на хорошо консервативные наборы единиц транскрипции с шестью ранними единицами транскрипции (E1A, E1B, E2A, E2B, E3 и E4) и одной поздней единицей транскрипции в диапазоне от L1-L5. Кроме того, аденовирусы также содержат две промежуточные единицы транскрипции, называемые XI и IVa2. Чтобы увеличить экономию вирусных генов, аденовирусы размещают гены на обеих цепях своей дцДНК, а это означает, что большая часть его генома используется для кодирования белков. [17] Интересной особенностью этого вирусного генома является то, что он имеет терминальный белок массой 55 кДа , связанный с каждым из 5'-концов линейной дцДНК. Они используются в качестве праймеров при репликации вируса и обеспечивают адекватную репликацию концов линейного генома вируса. [ нужна цитата ]
Аденовирусы обладают линейным геномом дцДНК и способны реплицироваться в ядре клеток позвоночных , используя механизм репликации хозяина. [2] Проникновение аденовирусов в клетку-хозяина включает два набора взаимодействий между вирусом и клеткой-хозяином. [2] Большая часть действий происходит в вершинах. Вход в клетку-хозяина инициируется доменом ручки белка волокна, связывающимся с клеточным рецептором. [2] В настоящее время установлены два рецептора: CD46 для серотипов аденовируса человека группы B и рецептор вируса Коксаки/аденовируса (CAR) для всех других серотипов. [2] Есть некоторые сообщения, предполагающие, что молекулы MHC и остатки сиаловой кислоты также действуют в этом качестве. За этим следует вторичное взаимодействие, при котором мотив в белке-основании пентона (см. капсомер ) взаимодействует с молекулой интегрина . Именно взаимодействие корецепторов стимулирует проникновение аденовируса. Этой молекулой-корецептором является интегрин αV . Связывание с интегрином αv приводит к эндоцитозу вирусной частицы через покрытые клатрином ямки. Присоединение к интегрину αV стимулирует передачу сигналов в клетках и, таким образом, индуцирует полимеризацию актина , что облегчает клатрин-опосредованный эндоцитоз и приводит к проникновению вириона в клетку-хозяина внутри эндосомы . [18]
Как только вирус успешно проник в клетку-хозяина, эндосома закисляется, что изменяет топологию вируса, вызывая распад компонентов капсида. Капсид дестабилизируется и из него высвобождается белок VI, который является одним из компонентов капсида (см. Геном аденовируса ). [19] Белок VI содержит N-концевую амфифатическую альфа-спираль, спиральный домен, который проявляет как гидрофобные, так и гидрофильные свойства. Эта амфипатическая спираль позволяет белку VI связываться с эндосомальной мембраной, что приводит к серьезному искривлению мембраны, которое в конечном итоге разрушает эндосому. [20] Эти изменения, а также токсическая природа пентонов разрушают эндосому, что приводит к перемещению вириона в цитоплазму. [2] С помощью клеточных микротрубочек вирус транспортируется к комплексу ядерных пор, в результате чего частица аденовируса разбирается. Впоследствии высвобождается вирусная ДНК, которая может проникнуть в ядро через ядерную пору . [21] После этого ДНК связывается с молекулами гистонов , уже присутствующими в ядре, что позволяет ей взаимодействовать с механизмом транскрипции клетки-хозяина. [22] Затем может произойти экспрессия вирусного гена без интеграции вирусного генома в хромосомы клетки-хозяина [23] и могут быть созданы новые вирусные частицы.
Жизненный цикл аденовируса разделен процессом репликации ДНК на две фазы: раннюю и позднюю. [2] На обеих фазах генерируется первичный транскрипт , который альтернативно сплайсируется для создания моноцистронных мРНК , совместимых с рибосомой хозяина , что позволяет транслировать продукты . [ нужна цитата ]
Ранние гены отвечают за экспрессию преимущественно неструктурных регуляторных белков . [2] Цель этих белков тройная: изменить экспрессию белков-хозяев, которые необходимы для синтеза ДНК ; активировать другие вирусные гены (например, кодируемую вирусом ДНК-полимеразу ); и избежать преждевременной гибели инфицированной клетки из-за иммунной защиты хозяина (блокировка апоптоза , блокировка активности интерферона и блокировка транслокации и экспрессии MHC класса I ).
Некоторые аденовирусы в особых условиях могут трансформировать клетки, используя свои ранние генные продукты. Было обнаружено, что E1A (связывает белок-супрессор опухоли ретинобластомы ) иммортализует первичные клетки in vitro , позволяя E1B (связывает супрессор опухоли p53 ) помогать и стабильно трансформировать клетки. Тем не менее, они зависят друг от друга в успешной трансформации клетки-хозяина и формировании опухолей . E1A в основном представляет собой неупорядоченный белок и содержит домен CR3, который имеет решающее значение для активации транскрипции. [24]
Репликация ДНК разделяет раннюю и позднюю фазы. Как только ранние гены высвободят адекватные вирусные белки, механизмы репликации и субстраты репликации, может произойти репликация генома аденовируса. Концевой белок, ковалентно связанный с 5'-концом генома аденовируса, действует как праймер для репликации. Затем вирусная ДНК-полимераза использует механизм смещения цепи, в отличие от обычных фрагментов Оказаки , используемых при репликации ДНК млекопитающих, для репликации генома.
Поздняя фаза жизненного цикла аденовируса сосредоточена на производстве достаточного количества структурного белка для упаковки всего генетического материала, образующегося в результате репликации ДНК. [2] После успешной репликации вирусных компонентов вирус собирается в свои белковые оболочки и высвобождается из клетки в результате индуцированного вирусом лизиса клеток . [2]
Аденовирус способен к множественной реактивации (MR) [25] (Yamamoto and Shimojo, 1971). MR — это процесс, при котором два или более вирусных генома, содержащих летальные повреждения, взаимодействуют внутри инфицированной клетки с образованием жизнеспособного вирусного генома. Такой MR был продемонстрирован для аденовируса 12 после облучения вирионов УФ-светом и многократного инфицирования клеток-хозяев. [25] В обзоре были описаны многочисленные примеры MR у различных вирусов, и было высказано предположение, что MR является распространенной формой полового взаимодействия, которая обеспечивает преимущество выживания за счет рекомбинационного восстановления повреждений генома. [26]
Аденовирусы необычайно стабильны к химическим или физическим агентам и неблагоприятным условиям pH , что позволяет длительное время выживать вне тела и воды. Аденовирусы передаются преимущественно воздушно-капельным путем, однако они также могут передаваться фекальным путем и аэрозольным путем ( воздушно-капельный путь ). [27] Исследования молекулярных механизмов, лежащих в основе аденовирусной передачи, предоставляют эмпирические данные в поддержку гипотезы о том, что рецепторы вируса Коксаки/аденовируса (CAR) необходимы для транспортировки аденовирусов в определенные типы наивных клеток/клеток-предшественников. [28]
Люди, инфицированные аденовирусами, демонстрируют широкий спектр реакций: от полного отсутствия симптомов до тяжелых инфекций, типичных для аденовируса серотипа 14 .
Аденовирус летучих мышей TJM (Bt-AdV-TJM) — новый вид рода Mastadenovirus , выделенный из Myotis и Scotophilus kuhlii в Китае. [29] Он наиболее тесно связан с землеройками и собачьими AdV. [30]
Хорошо известны два типа аденовирусов собак : тип 1 и 2. Тип 1 (CAdV-1) вызывает инфекционный гепатит собак , потенциально смертельное заболевание, включающее васкулит и гепатит . Инфекция типа 1 может также вызывать респираторные и глазные инфекции. CAdV-1 также поражает лисиц ( Vulpes vulpes и Vulpes lagopus ) и может вызывать гепатит и энцефалит. Аденовирус собак 2 (CAdV-2) является одной из потенциальных причин питомникового кашля . Базовые вакцины для собак включают аттенуированный живой CAdV-2, который обеспечивает иммунитет к CAdV-1 и CAdV-2. CAdV-1 первоначально использовался в вакцине для собак, но отек роговицы был частым осложнением. [31]
Сообщается, что аденовирус белки (SqAdV) вызывает энтерит у красных белок в Европе, тогда как серые белки, по-видимому, устойчивы. SqAdV наиболее тесно связан с аденовирусом морских свинок (GpAdV).
Аденовирус рептилий плохо изучен, но исследования в настоящее время продолжаются.
Известно также, что аденовирусы вызывают респираторные инфекции у лошадей , крупного рогатого скота , свиней , овец и коз . Аденовирус лошадей 1 также может вызывать смертельное заболевание у арабских жеребят с ослабленным иммунитетом , вызывающее пневмонию и разрушение ткани поджелудочной и слюнной желез . [31] Аденовирус Tupaia (TAV) (аденовирус 1 землероек) был выделен от землероек.
Отариновый аденовирус 1 был выделен из морских львов ( Zalophus Californianus ). [32]
Аденовирусы домашней птицы связаны со многими болезненными состояниями у домашних птиц, такими как гепатит с включениями , синдром гидроперикарда , [33] синдром падения яиц , перепелиный бронхит , эрозии желудка и многие респираторные заболевания. Они также были выделены из диких черных коршунов (Milvus migrans). [34]
Аденовирус обезьяны Тити был выделен из колонии обезьян. [35]
В настоящее время существует вакцина от аденовируса 4 и 7 типов только для военнослужащих США. Военнослужащие США получают эту вакцину, поскольку они могут подвергаться более высокому риску заражения. [ нужна цитация ] Вакцина содержит живой вирус, который может выделяться с фекалиями и приводить к передаче инфекции. Вакцина не одобрена для использования за пределами вооруженных сил, поскольку она не тестировалась среди населения в целом или на людях с ослабленной иммунной системой. [36]
В прошлом новобранцы в армии США были вакцинированы против двух серотипов аденовируса, что привело к соответствующему снижению заболеваемости, вызванной этими серотипами. Эта вакцина больше не производится. Командование медицинских исследований и материально-технического обеспечения армии США объявило 31 октября 2011 года, что 18 октября 2011 года в центры базовой подготовки была отправлена новая аденовирусная вакцина, которая заменяет старую версию, снятую с производства более десяти лет. здесь. [37]
Профилактика аденовируса, как и других респираторных заболеваний, предполагает частое мытье рук в течение более 20 секунд, избегание прикосновения к глазам, лицу и носу немытыми руками, а также избегание тесного контакта с людьми с симптомами аденовирусной инфекции. Людям с симптомами аденовирусной инфекции дополнительно рекомендуется кашлять или чихать в руку или локоть, а не в кисть, избегать совместного использования чашек и столовых приборов, а также воздерживаться от поцелуев с другими людьми. Хлорирование бассейнов может предотвратить вспышки конъюнктивита, вызванного аденовирусом. [36]
Диагноз ставится на основании симптомов и анамнеза. Тесты необходимы только в очень серьезных случаях. Тесты включают анализы крови, мазки из глаз, носа или горла, анализы образцов кала и рентген грудной клетки. [38] В лаборатории аденовирус можно идентифицировать с помощью обнаружения антигена, полимеразной цепной реакции (ПЦР), выделения вируса и серологического исследования. Даже если аденовирус обнаружен, он может не быть причиной каких-либо симптомов. Некоторые люди с ослабленным иммунитетом могут выделять вирус в течение нескольких недель и не проявлять никаких симптомов. [39]
Большинство инфекций аденовирусом приводят к инфекциям верхних дыхательных путей. Аденовирусные инфекции часто проявляются в виде конъюнктивита , тонзиллита (который может выглядеть точно так же, как фарингит и его невозможно отличить от стрептококка, кроме как при посеве зева), ушной инфекции или крупа . [40] Аденовирусы типов 40 и 41 также могут вызывать гастроэнтерит . [41] Сочетание конъюнктивита и тонзиллита особенно часто встречается при аденовирусных инфекциях.
У некоторых детей (особенно самых младших) может развиться аденовирусный бронхиолит или пневмония , оба из которых могут быть тяжелыми. У младенцев аденовирусы также могут вызывать приступы кашля, которые почти так же похожи на коклюш . Аденовирусы также могут вызывать вирусный менингит или энцефалит . В редких случаях аденовирус может вызывать геморрагический цистит (воспаление мочевого пузыря — форма инфекции мочевыводящих путей — с кровью в моче).
Большинство людей выздоравливают от аденовирусных инфекций самостоятельно, но люди с иммунодефицитом иногда умирают от аденовирусных инфекций, и — редко — даже ранее здоровые люди могут умереть от этих инфекций. [42] Это может быть связано с тем, что иногда аденовирусная инфекция может привести к нарушениям сердечной деятельности. Например, в одном исследовании некоторые образцы сердца пациентов с дилатационной кардиомиопатией были положительными на наличие аденовируса типа 8. [43]
Аденовирусы часто передаются через мокроту (например, аэрозоли), но они также могут передаваться при контакте с инфицированным человеком или через частицы вируса, оставленные на таких предметах, как полотенца и ручки кранов. Некоторые люди с аденовирусным гастроэнтеритом могут выделять вирус со стулом в течение нескольких месяцев после преодоления симптомов. Вирус может передаваться через воду в плавательных бассейнах, которая недостаточно хлорирована.
Как и в случае со многими другими заболеваниями, правильное мытье рук является одним из способов предотвращения передачи аденовирусов от человека к человеку. Тепло и отбеливатель убивают аденовирусы на предметах. [ нужна цитата ]
Не существует проверенных противовирусных препаратов для лечения аденовирусных инфекций, поэтому лечение в основном направлено на устранение симптомов (например, ацетаминофен при лихорадке). Противовирусный препарат цидофовир помог некоторым пациентам с тяжелыми случаями заболевания; В источнике не указано количество и степень помощи, а также конкретные осложнения или симптомы, при которых это помогло, а также когда и где это произошло. [44] Врач может назначить глазные капли с антибиотиком при конъюнктивите, ожидая результатов бактериального посева, а также для предотвращения вторичных бактериальных инфекций. В настоящее время не существует вакцины против аденовируса, доступной для широкой публики, но для вооруженных сил США доступна вакцина против типов 4 и 7.
Аденовирусы уже давно являются популярным вирусным вектором для генной терапии из-за их способности влиять как на реплицирующиеся, так и на нереплицирующиеся клетки, аккомодировать большие трансгены и кодировать белки без интеграции генетического материала в геном клетки-хозяина. [23] Точнее, они используются в качестве средства для проведения таргетной терапии [45] в форме рекомбинантной ДНК или белка. Эта терапия оказалась особенно полезной при лечении моногенных заболеваний (например, муковисцидоза , Х-сцепленного ТКИД , дефицита альфа1-антитрипсина ) и рака. [23] В Китае онколитический аденовирус является одобренным средством лечения рака. [46] Специфические модификации белков волокон используются для нацеливания аденовируса на определенные типы клеток; [47] прилагаются значительные усилия для ограничения гепатотоксичности и предотвращения полиорганной недостаточности. Додекаэдр аденовируса можно квалифицировать как мощную платформу для доставки чужеродных антигенов в миелоидные дендритные клетки человека (MDC), а также то, что он эффективно презентируется MDC М1-специфичным CD8+ Т-лимфоцитам. [48]
Проблема безопасности аденовирусов заключается в том, что они могут вызывать иммунный ответ с сопутствующей воспалительной реакцией, как это произошло со смертью Джесси Гелсингера в 1999 году. Чтобы устранить этот риск, геном вирусных генов был модифицирован для удаления некоторых вирусных генов. Одной из таких модификаций является вектор без кишки , который удаляет почти весь вирусный геном. [49] : 58
Аденовирус использовался для доставки систем редактирования генов CRISPR/Cas9 , но высокая иммунная реактивность к вирусной инфекции создала проблемы при использовании для пациентов.
Модифицированные ( рекомбинантные ) аденовирусные векторы, включая некомпетентные по репликации типы, могут доставлять ДНК, кодирующую специфические антигены . [50]
Аденовирус использовался для производства вирусных векторных вакцин против COVID-19 . «В четырех вакцинах-кандидатах против COVID-19... Ad5... служит «вектором» для транспортировки гена поверхностного белка SARS-CoV-2». [51] Цель состоит в том, чтобы генетически экспрессировать спайковый гликопротеин коронавируса 2 тяжелого острого респираторного синдрома ( SARS-CoV-2 ). Вакцинный вектор аденовируса шимпанзе с дефицитом репликации (ChAdOx1) используется в вакцине Oxford-AstraZeneca против COVID-19 , которая была одобрена для использования. [52] [53] В вакцине Janssen против COVID-19 используется модифицированный рекомбинантный аденовирус типа 26 (Ad26). [54] Рекомбинантный аденовирус типа 5 (Ad5) используется Ad5-nCoV , [55] ImmunityBio и UQ-CSL V451 . Продукт Gam -COVID-Vac (он же «Спутник-V») является инновационным, поскольку вакцина на основе Ad26 используется в первый день, а вакцина Ad5 — в 21-й день. [54] Еще один продукт — ChAd-SARS-CoV-2- С ; Сообщается, что вакцина предотвратила заражение SARS-CoV-2 мышей, которые были генетически модифицированы, чтобы иметь человеческие рецепторы ACE2 (hACE2), предположительно рецепторы, которые позволяют вирусу проникать в клетки. [56] [57]
Возможные проблемы с использованием аденовируса в качестве векторов вакцин включают в себя: в организме человека вырабатывается иммунитет к самому вектору, что делает последующие повторные прививки трудными или невозможными. [58] В некоторых случаях у людей уже имеется иммунитет к аденовирусам, что делает доставку векторов неэффективной. [59]
Использование вакцин Ad5 для лечения COVID-19 обеспокоило исследователей, у которых был опыт двух неудачных испытаний вакцины Ad5, Phambili и STEP, из-за повышенного риска заражения ВИЧ-1 для необрезанных пациентов мужского пола через незащищенный анальный секс. [60] В то время был сделан вывод, что повышенный риск заражения ВИЧ может наблюдаться при использовании любой векторной вакцины на основе Ad5. [61] В октябре 2020 года эти исследователи написали в The Lancet : «На основании этих результатов мы обеспокоены тем, что использование вектора Ad5 для иммунизации против SARS-CoV-2 может аналогичным образом увеличить риск заражения ВИЧ-1 среди мужчины, получившие вакцину». [62] [63] Вакцины, использующие другие технологии, не пострадают, но Sputnik V , Convidecia и hAd5 компании ImmunityBio повлияют. [64] Два исследования показали, что Ad5-специфичные CD4 T-клетки более восприимчивы к ВИЧ-инфекции, чем CD4 T-клетки, специфичные к некоторым другим векторам, таким как цитомегаловирус [65] и канареечная оспа . [66]
Для сравнения, в статье Science сообщается, что Китай одобрил вакцину CanSino от Эболы , основанную на векторе Ad5. Он был протестирован в Сьерра-Леоне , где наблюдался высокий уровень распространенности ВИЧ , что повышало вероятность выявления таких проблем. Генеральный директор CanSino заявил, что «мы ничего не видели с вакциной против Эболы», и предположил, что восприимчивость к ВИЧ может быть ограничена вакцинами Ad5, которые производят белки ВИЧ. В исследовании, опубликованном в журнале The Lancet в мае, исследователи компании признали такую возможность, назвали ее «спорной» и заявили, что будут следить за ней в ходе испытаний компании-кандидата на вакцину против COVID-19 . [51] [55] Неизвестно, в какой степени дискриминация ЛГБТ в Сьерра-Леоне могла способствовать сокрытию возможной причинно-следственной связи в испытаниях вакцины против Эболы; в то время как в исследовании Step участвовали в основном гомосексуальные и бисексуальные мужчины, в исследовании Phambili участвовали в основном гетеросексуальные мужчины и женщины, и все же была обнаружена очевидная связь. [ нужна цитата ]