Введение
Семейство вирусов Poxviridae – это семейство ДНК-вирусов с двунитевой структурой. Вертебраты и членистоногие являются естественными хозяевами. В настоящее время в этом семействе насчитывается 83 вида, разделенных на 22 рода, которые объединены в два подсемейства. К заболеваниям, связанным с этим семейством, относится оспа. Четыре рода вирусов оспы могут инфицировать человека: ортопоксвирус, парапоксвирус, ятапоксвирус, моллюскопоксвирус. Ортопоксовирус включает: вирус оспы (вариолы), вирус вакцины, вирус коровьей оспы, вирус Mpox; Парапоксовирус включает: вирус орфа, псевдокоровью оспу, вирус папулярного стоматита крупного рогатого скота; Ятапоксовирус включает: вирус танапокса, вирус опухоли яба-обезьяны; Молюскопоксвирус включает: вирус контагиозного моллюска (МКВ). Наиболее распространены вакцина (встречается на Индийском субконтиненте) и контагиозный моллюск, однако число случаев заражения Mpox растет (встречается в странах тропических лесов Западной и Центральной Африки). Подобно названная ветряная оспа не является истинным вирусом оспы и вызывается герпесвирусом Varicella zoster.
Poxviridae is a family of double stranded DNA viruses. Vertebrates and arthropods serve as natural hosts. There are currently 83 species in this family, divided among 22 genera, which are divided into two subfamilies. Diseases associated with this family include smallpox. Four genera of poxviruses may infect humans: Orthopoxvirus, Parapoxvirus, Yatapoxvirus, Molluscipoxvirus. Orthopoxvirus: smallpox virus (variola), vaccinia virus, cowpox virus, Mpox virus; Parapoxvirus: orf virus, pseudocowpox, bovine papular stomatitis virus; Yatapoxvirus: tanapox virus, yaba monkey tumor virus; Molluscipoxvirus: molluscum contagiosum virus (MCV). The most common are vaccinia (seen on the Indian subcontinent) and molluscum contagiosum, but Mpox infections are rising (seen in west and central African rainforest countries). The similarly named disease chickenpox is not a true poxvirus and is caused by the herpesvirus varicella zoster.
Этимология
Название семейства Poxviridae унаследовано от первоначальной группировки вирусов, связанных с заболеваниями, вызывающими кожные высыпания в виде оспы. Современная классификация вирусов основывается на фенотипических характеристиках, таких как морфология, тип нуклеиновой кислоты, способ репликации, организмы-хозяева и тип вызываемой ими болезни. Вирус оспы по-прежнему остается наиболее известным представителем этого семейства.
История
О болезнях, вызываемых вирусами оспы, особенно о натуральной оспе, известно уже много веков. Одним из самых ранних предполагаемых случаев является случай египетского фараона Рамсеса V, который, как считается, умер от натуральной оспы примерно в 1150 году до нашей эры. Считается, что натуральная оспа была занесена в Европу примерно в начале VIII века, а затем в Америку в начале XVI века, что привело к гибели 3,2 миллиона ацтеков в течение двух лет после её появления. Такой высокий уровень смертности объясняется полным отсутствием контакта коренного населения с вирусом на протяжении тысячелетий. Спустя столетие после того, как Эдвард Дженнер показал, что менее опасная оспа коров может быть эффективно использована для вакцинации против более смертельной натуральной оспы, началась глобальная кампания по вакцинации всего населения с конечной целью – избавить мир от этой чумоподобной эпидемии. Последний случай эндемичной натуральной оспы был зарегистрирован в Сомали в 1977 году. После двух лет интенсивных поисков новые случаи не были обнаружены, и в 1979 году Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) официально объявила о ликвидации заболевания. В 1986 году все образцы вируса были уничтожены или переданы в две одобренные ВОЗ референс-лаборатории: в штаб-квартиру федеральных Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC) в Атланте, штат Джорджия (США), и в Институт вирусных препаратов в Москве. После 11 сентября 2001 года правительства США и Великобритании выразили повышенную обеспокоенность по поводу возможности использования натуральной оспы или заболевания, похожего на неё, в целях биотерроризма. Однако в настоящее время ряд вирусов оспы, включая вирус вакцинии, вирус миксомы, вирус танапокса и вирус оспы енотов, изучаются в доклинических и клинических исследованиях на предмет их терапевтического потенциала при лечении различных видов рака у человека.
Структура
Вирусные частицы (вирионы) Poxviridae обычно имеют оболочку (внешний вирион с оболочкой), хотя внутриклеточная зрелая форма вируса, содержащая иную оболочку, также инфекционна. Их форма варьируется в зависимости от вида, но в целом они имеют форму кирпича или овала, напоминающего скругленный кирпич, поскольку они заключены в мембраны эндоплазматической сети. Вирион исключительно велик: его диаметр составляет около 200 нм, а длина – 300 нм. Он несет свой геном в виде единого, линейного, двунитевого фрагмента ДНК. Для сравнения, риновирусы в 10 раз меньше типичного вириона Poxviridae.
Геном
Филогенетический анализ 26 различных геномов хордопоксовирусов показал, что центральная область генома консервативна и содержит около 90 генов. Концевые участки, напротив, не консервативны между видами. Среди них авипоксовирус является наиболее дивергентным. Следующим по степени дивергенции является моллюскопоксовирус. Роды Capripoxvirus, Leporipoxvirus, Suipoxvirus и Yatapoxvirus образуют кластер: Capripoxvirus и Suipoxvirus имеют общего предка и отличаются от рода Orthopoxvirus. Внутри рода Orthopoxvirus штамм вируса коровьей оспы Brighton Red, вирус Ectromelia и вирус Mpox не образуют тесных групп с другими представителями. Вирус натуральной оспы и вирус верблюжьей оспы формируют подгруппу. Вирус Vaccinia наиболее тесно связан с CPV GRI 90. Содержание GC в геномах членов семейства значительно различается. Авипоксовирус, каприпоксовирус, цервидопоксовирус, ортопоксовирус, суипоксовирус, ятапоксовирус и один род энтомопоксов (Betaentomopoxvirus), а также несколько других неклассифицированных энтомопоксов имеют низкое содержание G+C, в то время как другие – моллюскопоксовирусы, ортопоксовирусы, парапоксовирусы и некоторые неклассифицированные хордопоксовирусы – имеют относительно высокое содержание G+C. Причины этих различий неизвестны.
Репликация
Репликация вируса оспы включает несколько стадий. Вирус сначала связывается с рецептором на поверхности клетки-хозяина; рецепторы для поксвируса, как считается, представляют собой гликозаминогликаны. После связывания с рецептором вирус проникает в клетку, где происходит его разворачивание. Разворачивание вируса – это двухэтапный процесс. Сначала внешняя мембрана удаляется по мере проникновения частицы в клетку; затем вирусная частица (без внешней мембраны) сливается с клеточной мембраной, высвобождая ядро в цитоплазму. Гены поксвируса экспрессируются в две фазы. Ранние гены кодируют неструктурные белки, включая белки, необходимые для репликации вирусного генома, и экспрессируются до репликации генома. Поздние гены экспрессируются после репликации генома и кодируют структурные белки для формирования вирусных частиц. Сборка вирусных частиц происходит в пять стадий созревания, приводящих к конечному экзоцитозу нового вириона, окруженного оболочкой. После репликации генома незрелый вирион собирает белок A5, формируя внутриклеточный зрелый вирион. Белок выстраивается, формируя кирпикообразную оболочку внутриклеточного вириона, окруженного оболочкой. Затем эти частицы сливаются с плазматической мембраной клетки, образуя вирион, связанный с клеткой и окруженный оболочкой, который взаимодействует с микротрубочками и готовится к выходу из клетки в виде внеклеточного вириона, окруженного оболочкой. Сборка вирусных частиц происходит в цитоплазме клетки и представляет собой сложный процесс, который в настоящее время изучается для более глубокого понимания каждой стадии. Учитывая, что этот вирус большой и сложный, репликация происходит относительно быстро, занимая около 12 часов до гибели клетки-хозяина в результате высвобождения вирусов. Репликация поксвируса необычна для вируса с двухцепочечной ДНК, поскольку она происходит в цитоплазме, хотя это характерно для других крупных ДНК-вирусов. Поксвирус кодирует собственный механизм для транскрипции генома – ДНК-зависимую РНК-полимеразу, что делает репликацию в цитоплазме возможной. Большинству вирусов с двухцепочечной ДНК требуется ДНК-зависимая РНК-полимераза клетки-хозяина для осуществления транскрипции. Эти полимеразы хозяина находятся в ядре, поэтому большинство вирусов с двухцепочечной ДНК проводят часть своего инфекционного цикла в ядре клетки-хозяина.
Эволюция
Предшественник поксивирусов неизвестен, но структурные исследования предполагают, что им мог быть аденовирус или вид, родственный как поксивирусам, так и аденовирусам. Основываясь на организации генома и механизме репликации ДНК, могут существовать филогенетические связи между рудивирусами (Rudiviridae) и крупными ДНК-вирусами эукариот: вирусом африканской чумы свиней (Asfarviridae), вирусами хлореллы (Phycodnaviridae) и поксивирусами (Poxviridae). Скорость мутаций в геномах поксивирусов, по оценкам, составляет 0,9–1,2 x 10−6 замещений на сайт в год. Другая оценка указывает на эту скорость как 0,5–7 × 10−6 нуклеотидных замещений на сайт в год. Третья оценка определяет ее как 4–6 × 10−6. Последний общий предок современных поксивирусов, инфицирующих позвоночных, существовал. Род Avipoxvirus отделился от предка 249 ± 69 тысяч лет назад. Предком рода Orthopoxvirus следующим отделился от других клад. Вторая оценка времени этого разделения указывает на 166 000 ± 43 000 лет назад. Недавно, после обнаружения нового вируса белок белки в Берлине (Германия), была предложена новая систематика.
Оспа
Дата появления оспы окончательно не установлена. Вероятно, она произошла от вируса грызунов между 68 000 и 16 000 лет назад. Широкий диапазон дат обусловлен использованием различных данных для калибровки молекулярных часов. Один из кладов включал штаммы Variola major (более тяжелая клиническая форма оспы), распространившиеся из Азии между 400 и 1600 годами назад. Второй клад включал как аластрим-минор (фенотипически легкая форма оспы), описанный на континентах Америки, так и изоляты из Западной Африки, которые отделились от общего предкового штамма между 1400 и 6300 годами до настоящего времени. Этот клад далее разделился на два подклада не менее 800 лет назад. Другая оценка указывает на разделение вирусов Variola и Taterapox 3000–4000 лет назад. В 2019 году вирусу Cotia был присвоен новый род Oryzopoxvirus. Вирус бразильской оспой, обнаруженный в 2019 году, тесно связан с ним. Два других хордопоксовируса – NY 014 и мурманский поксвирус. Они считаются близкородственными "Yoka poxvirus". ICTV классифицирует их в род Centapoxvirus, созданный в 2016 году.
Вирус ваксини
Прототипическим поксвирусом является вирус вакцинии, известный своей ролью в ликвидации оспы. Вирус вакцинии – эффективный инструмент для экспрессии чужеродных белков, поскольку он вызывает сильный иммунный ответ организма-хозяина. Вирус вакцинии проникает в клетки преимущественно путем слияния клеток, хотя рецептор, ответственный за это, в настоящее время неизвестен. Геном вакцинии содержит три класса генов: ранние, промежуточные и поздние. Эти гены транскрибируются вирусной РНК-полимеразой и ассоциированными с ней факторами транскрипции. Вакциния реплицирует свой геном в цитоплазме инфицированных клеток, и после экспрессии генов на поздней стадии происходит морфогенез вирионов, в результате чего образуются внутриклеточные зрелые вирионы, заключенные в оболочку. Происхождение оболочки до сих пор не установлено. Затем внутриклеточные зрелые вирионы транспортируются к аппарату Гольджи, где они обволакиваются двумя дополнительными мембранами, превращаясь во внутриклеточный вирус, окруженный оболочкой. Он транспортируется вдоль микротрубочек цитоскелета к периферии клетки, где сливается с плазматической мембраной, становясь вирусом, связанным с клеткой. Это приводит к образованию актиновых хвостов на поверхности клеток или высвобождению в виде внеклеточного вириона, окруженного оболочкой.