Введение
Семейство вирусов Papillomaviridae – это семейство ДНК-вирусов без оболочки, представители которого известны как папилломавирусы. Было идентифицировано несколько сотен видов папилломавирусов, традиционно называемых "типами", которые инфицируют всех тщательно исследованных млекопитающих. Инфицирование большинством типов папилломавирусов, в зависимости от типа, протекает бессимптомно (например, большинство бета-папилломавирусов) или вызывает небольшие доброкачественные опухоли, известные как папилломы или бородавки (например, вирус папилломы человека 1, HPV6 или HPV11). Однако папилломы, вызванные некоторыми типами, такими как вирусы папилломы человека 16 и 18, несут риск злокачественного перерождения. Папилломавирусы обычно считаются высокоспецифичными к хозяину и тканям и, как полагают, редко передаются между видами. Папилломавирусы реплицируются исключительно в базальном слое поверхностных тканей организма. Все известные типы папилломавирусов инфицируют определенную поверхность тела. Например, вирус папилломы человека (ВПЧ) типа 1 обычно инфицирует подошвы ног, а ВПЧ типа 2 – ладони, где они могут вызывать бородавки. Кроме того, имеются данные о наличии ДНК папилломавируса в крови и в периферических мононуклеарных клетках крови. Папилломавирусы были впервые идентифицированы в начале 20-го века, когда было показано, что кожные бородавки, или папилломы, могут передаваться между людьми через фильтруемый инфекционный агент. В 1935 году Фрэнсис Пейтон Роус, ранее продемонстрировавший существование вируса саркомы, вызывающего рак у кур, показал, что папилломавирус может вызывать рак кожи у инфицированных кроликов. Это было первым доказательством того, что вирус может вызывать рак у млекопитающих.
Papillomaviridae is a family of non enveloped DNA viruses whose members are known as papillomaviruses. Several hundred species of papillomaviruses, traditionally referred to as "types", have been identified infecting all carefully inspected mammals, Infection by most papillomavirus types, depending on the type, is either asymptomatic (e. g. most Beta PVs) or causes small benign tumors, known as papillomas or warts (e. g. human papillomavirus 1, HPV6 or HPV11). Papillomas caused by some types, however, such as human papillomaviruses 16 and 18, carry a risk of becoming cancerous. Papillomaviruses are usually considered as highly host and tissue tropic, and are thought to rarely be transmitted between species. Papillomaviruses replicate exclusively in the basal layer of the body surface tissues. All known papillomavirus types infect a particular body surface, For example, human papillomavirus (HPV) type 1 tends to infect the soles of the feet, and HPV type 2 the palms of the hands, where they may cause warts. Additionally, there are descriptions of the presence of papillomavirus DNA in the blood and in the peripheral blood mononuclear cells. Papillomaviruses were first identified in the early 20th century, when it was shown that skin warts, or papillomas, could be transmitted between individuals by a filterable infectious agent. In 1935 Francis Peyton Rous, who had previously demonstrated the existence of a cancer causing sarcoma virus in chickens, went on to show that a papillomavirus could cause skin cancer in infected rabbits. This was the first demonstration that a virus could cause cancer in mammals.
Таксономия папилломавирусов
Существует более 100 видов папилломавирусов, хотя ICTV официально признает меньшее их число, классифицированное в 53 рода по состоянию на 2019 год. Все папилломавирусы (ПВ) имеют сходное геномное строение, и любая пара ПВ содержит как минимум пять гомологичных генов, хотя нуклеотидная последовательность может различаться более чем на 50%. Филогенетические алгоритмы, позволяющие сравнивать гомологии, приводят к филогенетическим деревьям с аналогичной топологией, независимо от анализируемого гена. Филогенетические исследования убедительно свидетельствуют о том, что ПВ обычно эволюционируют совместно со своими видами-хозяевами – млекопитающими и птицами, однако адаптивные радиации, эпизодические зоонозные события и рекомбинации также могут влиять на их диверсификацию. Кроме того, предложены филогенетические группировки на более высоких таксономических уровнях. Эта классификация может потребовать пересмотра в связи с существованием рекомбинантов папиллома-полиомавирусов. Также описаны дополнительные виды. Папилломавирус Sparus aurata 1 был выделен из рыб.
Папилломавирусы человека
Более 170 типов вируса папилломы человека были полностью секвенированы. Они разделены на 5 родов: альфапапилломавирус, бетапапилломавирус, гаммапапилломавирус, мупапилломавирус и нупапилломавирус. Идентифицировано как минимум 200 дополнительных вирусов, ожидающих секвенирования и классификации.
Папилломавирусы животных
Отдельные типы папилломавирусов, как правило, высоко адаптированы к репликации в пределах одного вида животных. В одном исследовании ученые взяли мазки с кожи лба у различных животных в зоопарке и использовали ПЦР для амплификации любой присутствующей ДНК папилломавируса. Хотя в ходе исследования было выявлено большое разнообразие последовательностей папилломавирусов, авторы обнаружили мало свидетельств межвидовой передачи. У одного сотрудника зоопарка была обнаружена временная положительная реакция на специфическую для шимпанзе последовательность папилломавируса. Однако авторы отмечают, что эта последовательность папилломавируса шимпанзе могла быть результатом поверхностного загрязнения кожи сотрудника, а не продуктивной инфекции. Папилломавирус пахтаного кролика (CRPV) может вызывать выступающие бородавки у своего естественного хозяина – североамериканского рода кроликов Sylvilagus. Эти рогоподобные бородавки, возможно, послужили первоначальной основой для городских легенд об американском рогатом кролике, джекэлопе, и европейском вольпертингере. Европейские домашние кролики (род Oryctolagus) могут быть временно инфицированы CRPV в лабораторных условиях. Однако, поскольку европейские домашние кролики не производят инфекционное потомство вируса, они считаются случайными или "тупиковыми" хозяевами для CRPV. Межвидовая передача также была задокументирована для вируса папилломы крупного рогатого скота (BPV) типа 1. У своего естественного хозяина (крупного рогатого скота) BPV 1 вызывает крупные фиброзные кожные бородавки. Инфицирование лошадей, которые являются случайными хозяевами вируса, может приводить к развитию доброкачественных опухолей, известных как саркоиды. Сельскохозяйственная значимость BPV 1 стимулировала успешные усилия по разработке вакцины против этого вируса. В нескольких сообщениях были выявлены папилломавирусы у мелких грызунов, таких как сирийские хомяки, африканская многососочковая крыса и евразийская мышь-полёвка. Однако не известно ни одного папилломавируса, способного инфицировать лабораторных мышей. Отсутствие подходящей мышиной модели для изучения инфекции папилломавирусами стало серьезным ограничением для лабораторных исследований этих вирусов. Известно, что птиц инфицируют четыре папилломавируса: Fringilla coelebs papillomavirus 1, Francolinus leucoscepus papillomavirus 1, Psittacus erithacus papillomavirus 1 и Pygoscelis adeliae papillomavirus 1. У всех этих видов есть ген (E9) с неизвестной функцией, что указывает на общее происхождение.
Эволюция
Эволюция папилломавирусов, как считается, протекает медленнее, чем у многих других типов вирусов, однако каких-либо экспериментальных измерений в настоящее время не существует. Вероятно, это связано с тем, что геном папилломавируса состоит из генетически стабильной двухцепочечной ДНК, которая реплицируется с высокой точностью с помощью механизма репликации ДНК клетки-хозяина. Считается, что папилломавирусы, как правило, коэволюционируют с определенным видом животного-хозяина на протяжении многих лет, хотя существуют веские доказательства, опровергающие гипотезу коэволюции. В качестве примера относительно быстрой эволюции, ВПЧ 16 незначительно изменился по мере расширения человеческих популяций по всему миру и теперь варьируется в разных географических регионах, что, вероятно, отражает историю миграций человека. Кутанеотропные типы ВПЧ иногда передаются между членами семьи на протяжении всей жизни, но при передаче вируса следует учитывать и других источников заражения. Другие типы ВПЧ, такие как ВПЧ 13, относительно мало различаются в разных человеческих популяциях. Фактически, последовательность ВПЧ 13 очень похожа на папилломавирус бонобо (также известных как карликовые шимпанзе). Неясно, связано ли это с недавней передачей между видами или с тем, что ВПЧ 13 практически не изменился за последние шесть миллионов лет с момента дивергенции человека и бонобо. Существует пять основных родов, инфицирующих людей (Альфа, Бета, Гамма, Мю и Ню). Самый недавний общий предок этих родов эволюционировал. По оценкам, самый недавний предок рода гамма эволюционировал между и .
Структура
Папилломавирусы не имеют оболочки, то есть внешняя оболочка или капсид вируса не покрыта липидной мембраной. Один вирусный белок, известный как L1, необходим и достаточен для формирования капсида размером 55–60 нанометров, состоящего из 72 звездообразных капсомеров (см. рисунок). Как и большинство неинкапсулированных вирусов, капсид геометрически правилен и обладает икосаэдрической симметрией. Самособирающиеся вирусные частицы, состоящие из L1, лежат в основе успешной группы профилактических вакцин против ВПЧ, предназначенных для выработки нейтрализующих антител, защищающих от первичной инфекции ВПЧ. В связи с этим, папилломавирусы стабильны в окружающей среде. Геном папилломавируса представляет собой двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК длиной около 8000 пар оснований. Он упакован внутри капсида L1 вместе с клеточными белками гистонами, которые обеспечивают обертывание и конденсацию ДНК. Капсид папилломавируса также содержит вирусный белок, известный как L2, который присутствует в меньшем количестве. Хотя точное расположение L2 внутри вириона не установлено, известно, что он выполняет несколько важных функций, включая облегчение упаковки вирусного генома в формирующиеся вирионы, а также инфекционное проникновение вируса в новые клетки-хозяева. L2 представляет интерес как потенциальная мишень для разработки более широкого спектра защитных вакцин против ВПЧ. Вирусный капсид состоит из 72 капсомеров, из которых 12 имеют пятикратную координацию, а 60 – шестикратную, расположенных на икосаэдрической решетке поверхности T=7d.
Тканьосознание
Папилломавирусы реплицируются исключительно в кератиноцитах. Кератиноциты формируют самые внешние слои кожи, а также некоторые слизистые оболочки, такие как внутренняя поверхность щеки или стенки влагалища. Эти поверхностные ткани, известные как многослойные плоские эпителии, состоят из наслоенных слоев уплощенных клеток. Клеточные слои формируются в процессе, известном как клеточная дифференциация, в ходе которого кератиноциты постепенно специализируются, в конечном итоге образуя твердую, сшитую поверхность, предотвращающую потерю влаги и служащую барьером против патогенов. Считается, что менее дифференцированные стволовые клетки кератиноцитов, восстанавливающиеся в поверхностном слое, являются первичной мишенью для продуктивных инфекций папилломавирусами. Последующие этапы вирусного жизненного цикла строго зависят от процесса дифференцировки кератиноцитов. В результате папилломавирусы могут реплицироваться только в тканях поверхности тела.
Инфекционный проникновение
Папилломавирусы проникают в кератиноцитарные стволовые клетки через небольшие повреждения, известные как микротравмы, на коже или слизистой оболочке. Взаимодействие между L1 и сульфатированными сахарами на поверхности клетки способствует начальному прикреплению вируса. Затем вирус проникает внутрь клетки, взаимодействуя со специфическим рецептором, предположительно альфа-6-бета-4-интегрином, и транспортируется в везикулы, окруженные мембраной, называемые эндосомами. Капсидный белок L2 разрушает мембрану эндосомы посредством катионного клеточного проникающего пептида, что позволяет вирусному геному высвободиться и переместиться вместе с L2 в ядро клетки.
Вирусная стойкость и латентность
После успешного инфицирования кератиноцита вирус экспрессирует белки E1 и E2, которые необходимы для репликации и поддержания вирусной ДНК в виде круглой эпизомы. Вирусные онкогены E6 и E7 стимулируют рост клеток, инактивируя белки-супрессоры опухолей p53 и pRb. Стволовые клетки кератиноцитов в базальном слое эпителия могут сохранять геномы папилломавирусов на протяжении десятилетий. Геномы папилломавирусов иногда интегрируются в геном хозяина, особенно часто это наблюдается при онкогенных ВПЧ, однако это не является нормальной частью жизненного цикла вируса и приводит к прекращению производства вирусного потомства. Также отмечается связь с раком ротовой полости, раком вульвы и уротелиальной карциномой с плоскоклеточной дифференцировкой у пациентов с нейрогенным мочевым пузырем. Существуют геномы папилломавирусов, вызывающих рак, которые кодируют два небольших белка, E6 и E7, имитирующих онкогены. Механизм их действия заключается в стимуляции неконтролируемого роста клеток и блокировании их естественной защиты, а также в воздействии на множество сигнальных белков, регулирующих пролиферацию и апоптоз.
Лабораторное исследование
Тот факт, что жизненный цикл папилломавируса строго требует дифференцировки кератиноцитов, создал существенный барьер для изучения папилломавирусов в лаборатории, поскольку это исключило использование обычных клеточных линий для культивирования вирусов. Поскольку инфекционные вирионы ВПВ 1 можно выделить из крупных бородавок, вызываемых вирусом у крупного рогатого скота, этот вирус на протяжении многих лет служил основной моделью для изучения папилломавирусов. В лабораторных исследованиях также широко использовались CRPV, оральный папилломавирус кролика (ROPV) и оральный папилломавирус собаки (COPV). Как только исследователи обнаружили, что эти вирусы вызывают рак, они объединили усилия для поиска вакцины против него. В настоящее время наиболее эффективным подходом является создание вируса, состоящего из белка L1, но лишенного ДНК. По сути, наша иммунная система вырабатывает защиту от инфекций, но если эти инфекции не вызывают заболевания, их можно использовать в качестве вакцины. Запись PDB 6bt3 демонстрирует, как поверхности антител атакуют поверхность вируса, чтобы нейтрализовать его. Некоторые типы ВПЧ, передающиеся половым путем, были размножены с использованием системы "ксенотрансплантации" на мышах, при которой инфицированные ВПЧ клетки человека имплантируются мышам с иммунодефицитом. В последнее время некоторым группам удалось выделить инфекционный ВПЧ 16 из поражений шейки матки человека. Однако выделение инфекционных вирионов с использованием этой методики является трудоемким процессом, а выход инфекционного вируса очень низок. Дифференцировку кератиноцитов можно имитировать in vitro, подвергая культивируемые кератиноциты воздействию интерфейса воздух/жидкость. Адаптация таких систем "рафтовой культуры" для изучения папилломавирусов стала значительным прорывом в изучении жизненного цикла вируса in vitro. Однако системы рафтовой культуры относительно сложны в использовании, и выход инфекционных ВПЧ может быть низким. Разработка системы на основе дрожжей, позволяющей стабильную эпизомальную репликацию ВПЧ, предоставляет удобный, быстрый и недорогой способ изучения различных аспектов жизненного цикла ВПЧ (Angeletti 2002). Например, транскрипцию, зависимую от E2, амплификацию генома и эффективное инкапсидирование ДНК ВПЧ полной длины можно легко воспроизвести в дрожжах (Angeletti 2005). Недавно были разработаны методы высокопроизводительного получения псевдовирусов ВПЧ, несущих ген-репортер. Хотя псевдовирусы не подходят для изучения определенных аспектов жизненного цикла вируса, предварительные исследования показывают, что их структура и начальное проникновение в клетки, вероятно, во многом схожи с таковыми у аутентичных папилломавирусов. Папилломавирус человека связывается с молекулами гепарина на поверхности инфицируемых им клеток. Исследования показали, что в кристаллах изолированных капсомеров L1 гепариновые цепи распознаются лизиновыми бороздками на поверхности вируса. Также было показано, что антитела могут блокировать это распознавание.
Генетическая организация и экспрессия генов
Геном папилломавируса разделен на раннюю область (E), кодирующую шесть открытых кадров считывания (ORF) – E1, E2, E4, E5, E6 и E7, которые экспрессируются сразу после первичной инфекции клетки-хозяина, и на позднюю область (L), кодирующую основной капсидный белок L1 и минорный капсидный белок L2. Все вирусные ORF кодируются на одной цепи ДНК (см. рисунок). Это принципиальное отличие между папилломавирусами и полиомавирусами, поскольку последние выражают свои ранние и поздние гены посредством двунаправленной транскрипции обеих цепей ДНК. Это различие стало ключевым фактором в формировании консенсуса о том, что папилломавирусы и полиомавирусы, вероятно, никогда не имели общего предка, несмотря на заметное сходство в структуре их вирионов. После инфицирования клетки-хозяина активируется ранний промотор HPV16, и транскрибируется полицистронная первичная РНК, содержащая все шесть ранних ORF. Эта полицистронная РНК содержит три экзона и два интрона и подвергается активному сплайсингу РНК с образованием множества изоформ мРНК. В отличие от этого, интрон в ORF E6, который остается неиссеченным, необходим для трансляции онкобелка E6.
Техническое обсуждение функций генов папилломавируса
Гены в геноме папилломавируса обычно идентифицируют на основе сходства с другими ранее идентифицированными генами. Однако некоторые ложные открытые рамки считывания могли быть ошибочно приняты за гены исключительно из-за их расположения в геноме и на самом деле не являться генами. Это особенно касается определенных открытых рамок считывания E3, E4, E5 и E8.
Е1
Кодирует белок, связывающийся с вирусным происхождением репликации в длинной контрольной области вирусного генома. E1 использует АТФ для проявления геликазной активности, разъединяя нити ДНК и тем самым подготавливая вирусный геном к репликации клеточными факторами репликации ДНК.
Е2
Белок E2 является основным регулятором транскрипции для вирусных промоторов, расположенных главным образом в длинной контрольной области. Белок содержит трансактивационный домен, соединенный относительно неструктурированной шарнирной областью с хорошо изученным доменом связывания ДНК. E2 облегчает связывание E1 с вирусным происхождением репликации. E2 также использует клеточный белок, известный как Bromodomain 4 (Brd4), для закрепления вирусного генома на клеточных хромосомах. Это закрепление на ядерной матрице клетки обеспечивает точное распределение вирусных геномов в каждую дочернюю клетку после деления клетки. Предполагается, что E2 выступает в качестве отрицательного регулятора экспрессии онкогенов E6 и E7 в латентно инфицированных ВПЧ кератиноцитах базального слоя. Генетические изменения, такие как интеграция вирусной ДНК в хромосому клетки-хозяина, приводящие к инактивации экспрессии E2, обычно повышают экспрессию онкогенов E6 и E7, что вызывает клеточную трансформацию и, возможно, дальнейшую генетическую дестабилизацию.
Е3
Этот небольшой предполагаемый ген встречается лишь в нескольких типах папилломавирусов. Неизвестно, экспрессируется ли этот ген в виде белка, и, по всей видимости, он не выполняет никакой функции.
Е4
Хотя белки E4 экспрессируются на низких уровнях на ранней стадии вирусной инфекции, экспрессия E4 резко возрастает на поздней стадии инфекции. Иными словами, его обозначение "E" может быть несколько вводящим в заблуждение. В случае ВПЧ 1, E4 может составлять до 30% от общего количества белка на поверхности бородавки. Считается, что белок E4 многих типов папилломавирусов облегчает высвобождение вирионов в окружающую среду, разрушая промежуточные филаменты цитоскелета кератиноцитов. Вирусные мутанты, не способные экспрессировать E4, не поддерживают высокую степень репликации вирусной ДНК, однако механизм, посредством которого E4 способствует репликации ДНК, пока не установлен. Также было показано, что E4 участвует в блокировании клеток в фазе G2 клеточного цикла.
Е5
E5 – это небольшие, очень гидрофобные белки, которые дестабилизируют функцию многих мембранных белков в инфицированной клетке. Белок E5 некоторых типов папилломавирусов животных (преимущественно папилломавируса крупного рогатого скота типа 1) функционирует как онкоген, главным образом за счет активации клеточной сигнализации, стимулирующей рост, посредством рецепторов фактора роста, производного от тромбоцитов. Однако белки E5 папилломавирусов человека, ассоциированных с раком, по-видимому, активируют каскад сигналов, инициированный эпидермальным фактором роста при связывании лиганда. Также было показано, что E5 ВПЧ-16 и E5 ВПЧ-2 снижают поверхностную экспрессию основных белков главного комплекса гистосовместимости класса I, что может предотвратить элиминацию инфицированной клетки Т-киллерами.
Е6
E6 – это пептид из 151 аминокислоты, содержащий мотив типа 1 с консенсусной последовательностью –(T/S) (X) (V/I) COOH. Он также содержит два мотива цинковых пальцев. Показано, что E6 нацелен на другие клеточные белки, тем самым изменяя несколько метаболических путей. Одной из таких мишеней является NFX1-91, который обычно подавляет продукцию теломеразы – белка, позволяющего клеткам делиться неограниченное число раз. Когда NFX1-91 разрушается под действием E6, уровень теломеразы повышается, инактивируя основной механизм контроля роста клеток. Кроме того, E6 может выступать в роли транскрипционного кофактора, в частности, активатора транскрипции, при взаимодействии с клеточным транскрипционным фактором E2F1/DP1. Связывание в этих участках вызывает трансформацию белка DLG и нарушение его супрессорной функции. Белки E6 также взаимодействуют с белками семейства MAGUK (мембранно-ассоциированные гуанилаткиназы). Эти белки, включая MAGI-1, MAGI-2 и MAGI-3, обычно являются структурными белками и могут участвовать в передаче сигналов.
Е8
Только некоторые типы папилломавирусов кодируют короткий белок из гена E8. В случае BPV 4 (род папилломавирусов Xi) открытая рамка считывания E8 может замещать отсутствующую в этом роде открытую рамку считывания E6. Эти гены E8 химически и функционально сходны с генами E5 некоторых папилломавирусов человека и также называются E5/E8.
Л1
L1 спонтанно самособирается в пентамерные капсомеры. Очищенные капсомеры могут далее формировать капсиды, которые стабилизируются дисульфидными связями между соседними молекулами L1. Капсиды L1, собранные in vitro, являются основой профилактических вакцин против нескольких типов ВПЧ. По сравнению с другими генами папилломавируса, аминокислотные последовательности большей части L1 хорошо консервативны между типами. Однако поверхностные петли L1 могут существенно различаться, даже у разных представителей одного вида папилломавируса. Это, вероятно, отражает механизм уклонения от нейтрализующих антительных реакций, вызванных предшествующими инфекциями папилломавируса.
Л2
L2 существует в окисленном состоянии внутри вириона папилломавируса, при этом два консервативных остатка цистеина образуют внутримолекулярную дисульфидную связь. Помимо кооперации с L1 для упаковки вирусной ДНК в вирион, было показано, что L2 взаимодействует с рядом клеточных белков в процессе инфекционного проникновения. После первоначального связывания вириона с клеткой, L2 должен быть расщеплен клеточной протеазой фурином. Вирион интернализируется, вероятно, посредством процесса, опосредованного клатрином, в эндосому, где кислая среда, как считается, приводит к обнажению участков L2, дестабилизирующих мембрану. Синтаксин 18 также может участвовать в событиях проникновения, опосредованных L2. После выхода из эндосомы L2 и вирусный геном импортируются в ядро клетки, где они перемещаются в субъядерную область, известную как тело ND10, богатую факторами транскрипции.