Enterovirus және полиовирустың құрылысы мен қасиеттері

Кіріспе

Enterovirus

Полиомиелиттің қоздырғышы – Enterovirus. Полиовирус – Picornaviridae тұқымдасына жататын Enterovirus C түрінің серотипі. Полиовирустың үш серотипі бар: 1, 2 және 3 типтері. Полиовирус РНК геномынан және ақуыз капсидінен тұрады. Геном – шамамен 7500 нуклеотидтен тұратын бір тізбекті оң сезімді РНК (+ssRNA) геном. Вирустық бөлшектің диаметрі 30 нм-ге жуық, ал симметриясы икосаэдрлік. Ұзындығы қысқа геномымен және қарапайым құрамымен – тек РНК және оны қаптаған икосаэдрлік ақуыз қабығымен – полиовирус ең қарапайым маңызды вирус саналады. Полиовирусты алғаш рет 1909 жылы Карл Ландштейнер мен Эрвин Поппер бөліп шығарды. Вирустың құрылымы алғаш рет 1958 жылы Розалинд Франклин басқарған Биркбек колледжінің тобы рентгендік сәулелердің дифракциясын пайдаланып анықталды, бұл полиовирустың икосаэдрлік симметрияға ие екенін көрсетті. 1981 жылы полиовирус геномын екі түрлі зерттеушілер тобы жариялады: Винсент Раканиелло мен Дэвид Балтимор MIT-де, ал Наоми Китамура мен Эккард Виммер Стони Брук университетінде. Полиовирустың үш өлшемді құрылымын 1985 жылы Скриппс зерттеу институтында Джеймс Хогл рентгендік кристаллография арқылы анықтады. Полиовирус – ең жақсы сипатталған вирустардың бірі және РНК вирустарының биологиясын түсіну үшін пайдалы модельдік жүйе болып табылады.

Шығу тегі және серотиптері

Полиовирустың құрылымы басқа адам энтеровирустарына (коксакивирустар, эховирустар және риновирустар) ұқсас, олар да иммуноглобулинге ұқсас молекулаларды жасушаларды тану және ену үшін пайдаланады. Полиовирустың ерекше түрінің қалыптасуы, C кластерінің коксаки А вирустары қолданатын клеткааралық адгезия молекуласы 1 (ICAM 1)-ден CD155-ке дейінгі жасушалық рецепторлардың ерекшелігінің өзгеруі нәтижесінде болған болуы мүмкін; бұл патогенділіктің өзгеруіне және вирустың жүйке тіндерін жұқтыру қабілетіне әкелді. Вирустың мутация жылдамдығы РНК вирусы үшін салыстырмалы түрде жоғары, синонимдік алмасу жылдамдығы 1.0 x 10−2 алмасу/орны/жыл және синонимдік емес алмасу жылдамдығы 3.0 x 10−4 алмасу/орны/жыл. Геномдағы базалық таралу кездейсоқ емес, аденозин 5' ұшында күтілгеннен аз, ал 3' ұшында көбірек кездеседі. Кодонды пайдалану да кездейсоқ емес, аденозинмен аяқталатын кодондарға басымдық беріледі, ал цитозинмен немесе гуанинмен аяқталатын кодондардан аулақ тұрылады. Кодонды пайдалану үш генотип арасында әртүрлі және таңдау емес, мутация нәтижесінде пайда болады. Полиовирустың үш серотипі – PV 1, PV 2 және PV 3 – әрқайсысының капсидтік ақуыздары сәл өзгеше. Капсидтік ақуыздар жасушалық рецепторлардың ерекшелігін және вирус антигендігін анықтайды. PV 1 табиғатта ең көп кездесетін түрі, бірақ олардың барлығы өте жұқпалы. Ал 2019 жылдың қазан айында жабайы PV 3 анықталды, соңғы рет 2012 жылы тіркелген болатын. Полиомиелитке қарсы вакцина дайындау үшін әрбір серотиптің белгілі бір штаммы қолданылады. Инактивацияланған полиомиелит вакцинасы үш жабайы, вирулентті эталондық штаммды формалинмен инактивациялау арқылы дайындалады: Махони немесе Брунендерс (PV 1), MEF 1/Лансинг (PV 2) және Сокет/Леон (PV 3). Ауызша берілетін полиомиелит вакцинасы полиовирустың үш серотипінің тірі, әлсіретілген (көктелген) штаммдарын қамтиды. Вирустың штаммдарын маймыл бүйрегінің эпителийлік жасушаларында өсіру вирустық IRES-те мутацияларды тудырады және вирус жүйке тініне жұғу қабілетін төмендетеді (немесе әлсіретеді).

Патогенез

thumb|upright=0.8|Полиовирустың электрондық микроскопы

Кез келген вирустың жұқпауының басты себебі – жасушаға ену және қосымша жұқпалы бөлшектерді өндіру қабілеті. CD155-тің болуы полиовирусымен жұқтыруға болатын жануарлар мен тіндерді анықтайды деп есептеледі. CD155 (зертханадан тыс) тек адам, жоғары приматтар және Ескі әлем маймылдарының жасушаларында ғана кездеседі. Дегенмен, полиовирус қатаң түрде адам патогені болып табылады және табиғи түрде басқа түрлерді жұқтырмайды (бірақ шимпанзелер мен Ескі әлем маймылдары тәжірибелік түрде жұқтырылуы мүмкін). CD155 генінің оң таңдауға ұшырағаны байқалды. Ақуызда бірнеше домендер бар, олардың ішінде D1 доменінде полиовирус байланысатын орны орналасқан. Бұл доменнің ішінде 37 аминқышқылы вирусты байланыстыруға жауапты. Полиовирус – энтеровирус. Жұқпа фекальды-орал жолмен жүреді, яғни вирус жұтылады және асқазан-ішек жолында көбейеді. Вирус жұқтырған адамның нәжісімен шығарылады. 95% жағдайда тек вирумияның (қан ағысындағы вирус) бастапқы, уақытша болуы байқалады, ал полиовирустық инфекция симптомсыз өтеді. 5% жағдайда вирус қоңыр май, ретикулоэндотелиялық тіндер және бұлшық еттер сияқты басқа жерлерге таралып, көбейеді. Вирустың ұзақ көбеюі екінші реттік вирумияға және қызба, бас ауруы және тамақ ауруы сияқты шағын симптомдардың дамуына әкеледі. Паралиттік полиомиелит полиовирустық инфекциялардың 1% - дан кемінде кездеседі. Паралиттік ауру вирус орталық нерв жүйесіне (ОНЖ) енгенде және омыртқа миы, ми сабасы немесе моторлық қабықтың моторлық нейрондарында көбейгенде пайда болады, бұл моторлық нейрондардың іріктеп жойылуына және уақытша немесе тұрақты параличке әкеледі. Бұл нәрестелерде сирек кездеседі, олар аналарынан алынған полиовирусқа қарсы антиденелерге ие. Сирек жағдайларда паралиттік полиомиелит тыныс алудың тоқтауына және өлімге әкеледі. Паралиттік ауру кезінде әлсіздік пен паралич пайда болғанға дейін бұлшықет аурулары мен спазмдар жиі байқалады. Паралич әдетте сауығуға бірнеше күн немесе апта бұрын жалғасады. Көп жағдайда инфекцияның неврологиялық кезеңі қалыпты асқазан-ішек инфекциясының кездейсоқ ауытқуы деп есептеледі. Екінші гипотеза бойынша, вирустар вирустық қанға шомырылған шеткі тіндерден, мысалы бұлшықет тіндерінен, миындағы нерв жолдары арқылы ретроградты аксоналдық тасымалдау арқылы тасымалданады. Үшінші гипотеза вирус инфекцияланған моноциттер немесе макрофагтар арқылы ОНЖ-ге енгенін көрсетеді. CD155 экспрессиялайтын (генетикалық инженерия арқылы) бірақ I типті интерферон рецепторы жоқ егешқұйрықтарда полиовирус тек кеңейтілген тіндер репертуарында ғана емес, сонымен қатар бұл егешқұйрықтар ауыз арқылы вируспен жұқтырылуы мүмкін.

The primary determinant of infection for any virus is its ability to enter a cell and produce additional infectious particles. The presence of CD155 is thought to define the animals and tissues that can be infected by poliovirus. CD155 is found (outside of laboratories) only on the cells of humans, higher primates, and Old World monkeys. Poliovirus is, however, strictly a human pathogen, and does not naturally infect any other species (although chimpanzees and Old World monkeys can be experimentally infected). The CD155 gene appears to have been subject to positive selection. The protein has several domains of which domain D1 contains the polio virus binding site. Within this domain, 37 amino acids are responsible for binding the virus. Poliovirus is an enterovirus. Infection occurs via the fecal–oral route, meaning that one ingests the virus and viral replication occurs in the gastrointestinal tract. Virus is shed in the feces of infected individuals. In 95% of cases only a primary, transient presence of viremia (virus in the bloodstream) occurs, and the poliovirus infection is asymptomatic. In about 5% of cases, the virus spreads and replicates in other sites such as brown fat, reticuloendothelial tissue, and muscle. The sustained viral replication causes secondary viremia and leads to the development of minor symptoms such as fever, headache, and sore throat. Paralytic poliomyelitis occurs in less than 1% of poliovirus infections. Paralytic disease occurs when the virus enters the central nervous system (CNS) and replicates in motor neurons within the spinal cord, brain stem, or motor cortex, resulting in the selective destruction of motor neurons leading to temporary or permanent paralysis. This is a very rare event in babies, who still have anti poliovirus antibodies acquired from their mothers. In rare cases, paralytic poliomyelitis leads to respiratory arrest and death. In cases of paralytic disease, muscle pain and spasms are frequently observed prior to onset of weakness and paralysis. Paralysis typically persists from days to weeks prior to recovery. In many respects, the neurological phase of infection is thought to be an accidental diversion of the normal gastrointestinal infection. A second hypothesis suggests that the virions are transported from peripheral tissues that have been bathed in the viremic blood, for example muscle tissue, to the spinal cord through nerve pathways via retrograde axonal transport. A third hypothesis is that the virus is imported into the CNS via infected monocytes or macrophages. In mice expressing CD155 (through genetic engineering) but lacking the type I interferon receptor, poliovirus not only replicates in an expanded repertoire of tissue types, but these mice are also able to be infected orally with the virus.

Иммундық жүйенің айналып кетуі

Полиовирус иммундық жүйеден қашу үшін екі негізгі механизмді пайдаланады. Біріншіден, ол асқазанның жоғары қышқылды ортасына төтеп бере алады, бұл вирусқа организмге жұғуға және лимфа жүйесі арқылы денеге таралуға мүмкіндік береді. Вирион бетіндегі каньондары бар полиовирустың жабысыну орындары каньондардың түбіндегі қалталарда орналасқан. Каньондар антиденелердің кіруі үшін тым тар болғандықтан, вирус жабысатын орындар организмнің иммундық бақылауынан қорғалған, ал вирионның қалған бөлігі организмнің иммундық жауабынан қашу үшін мутацияға ұшырауы мүмкін. Полиовирусқа жұққан немесе полиомиелит вакцинасымен егілген адамдар иммунитет қалыптастырады. Иммунитеті бар адамдарда полиовирусқа қарсы антиденелер (әсіресе IgA антиденелері) тонзиллада және асқазан-ішек жолында болады, олар полиовирустың көбеюін тоқтатуға қабілетті; полиовирусқа қарсы IgG және IgM антиденелері вирусқа орталық нерв жүйесінің қозғалтқыш нейрондарына таралуына кедергі келтіре алады.

Клондау және синтездеу

1981 жылы Раканиелло мен Балтимор рекомбинантты ДНҚ технологиясын пайдаланып, жануарлардың РНҚ вирусының алғашқы жұқпалы клонын – полиовирусты жасады. Полиовирустың РНК геномын кодтайтын ДНҚ, мәдени ортада өсірілген сүтқоректілер жасушаларына енгізіліп, жұқпалы полиовирус өндірілді. Жұқпалы клондарды жасау полиовирустың биологиясын түсінуге үлкен үлес қосты және көптеген басқа вирустарды зерттеу үшін қолданылатын стандартты технологияға айналды. 2002 жылы Экард Виммердің Стони Брук университетіндегі тобы полиовирусты оның химиялық кодынан синтездеп, әлемдегі алғашқы синтетикалық вирусты жасады. Ғалымдар алдымен 7741 негізден тұратын полиовирустың жарияланған РНҚ тізбесін ДНҚ тізбесіне аударды, себебі ДНҚ-ны синтездеу оңайырақ болды. Бұл ДНҚ тізбегінің қысқа фрагменттері пошта арқылы алынып, біріктірілді. Вирустың толық геномы содан кейін ген синтезімен айналысатын компания тарапынан құрастырылды. Синтезделген ДНҚ-ға он тоғыз маркер қосылды, осылайша оны табиғи полиовирустан ажыратуға болады. ДНҚ-ны оның табиғи күйіне, яғни РНҚ-ға айналдыру үшін ферменттер пайдаланылды. Басқа ферменттер РНҚ-ны полипептидке аударып, функционалды вирустық бөлшектің пайда болуын қамтамасыз етті. Бұл мұқият процеске екі жыл уақыт кетті. Жаңа синтетикалық вирус, синтетикалық нұсқаның ауру тудыру қабілетін анықтау үшін PVR трансгенді тышқандарына инъекцияланды. Синтетикалық вирус тышқандарда көбейіп, жұқтырып, сал ауруына немесе өлімге себеп болды. Дегенмен, синтетикалық нұсқа түпнұсқа вирустан 1000-10 000 есе әлсіз болды, бұл қосылған маркерлердің біріне байланысты болуы мүмкін.

Терапияға арналған өзгертулер

Полиовирустың өзге түрі, PVSRIPO деп аталатын, ракқа қарсы ем ретіндегі мүмкіндігін зерттеу үшін клиникалық сынақтардың алғашқы кезеңінде қолданылды.