Аренавирусы: структура, геном и патогенез

Введение

Семейство РНК-вирусов

Аренавирус – это би- или трисегментированный амбисенсовый РНК-вирус, относящийся к семейству Arenaviridae. Эти вирусы инфицируют грызунов и иногда человека. Также обнаружен класс новых, сильно дивергентных аренавирусов, правильно называемых рептаренвирусами, которые инфицируют змей, вызывая болезнь включений, преимущественно у боа-констрикторов. По крайней мере восемь аренавирусов, как известно, вызывают заболевания у людей. Болезни, вызываемые аренавирусами, различаются по степени тяжести. Асептический менингит – тяжелое заболевание человека, вызывающее воспаление оболочек мозга и спинного мозга, может быть вызван вирусом лимфоцитарного хориоменингита. Синдромы геморрагической лихорадки, включая лихорадку Ласса, возникают при инфекциях, вызванных вирусом Гуанарито, вирусом Юнина, вирусом Ласса, вирусом Лухо, вирусом Мачупо, вирусом Сабиа или вирусом Беловодной Арройо. В связи с эпидемиологической связью с грызунами некоторые аренавирусы и буниявирусы классифицируются как робовирусы.

Структура

При поперечном сечении аренавирусы содержат зернистые частицы, которые являются рибосомами, приобретенными из клеток хозяина. От этого признака они и получили название "арена", от латинского корня, означающего "песок". Считается, что рибосомные структуры не являются необходимыми для репликации вируса. Вирусные частицы, или вирионы, имеют плеоморфную (изменчивую) форму, но часто сферическую, с диаметром 60–300 нм, и покрыты поверхностными гликопротеиновыми шипами. Вирус содержит бубенчатый нуклеокапсид с двумя одноцепочечными сегментами РНК. Нуклеокапсид состоит из ядра нуклеиновой кислоты, заключенного в белковую оболочку. Хотя аренавирусы классифицируются как вирусы с отрицательной полярностью, они обладают амбисенсорностью. В то время как некоторые участки их генома кодируют гены в отрицательном смысле (обратной полярности), другие участки кодируют гены в противоположном (прямом/положительном) направлении. Предполагается, что эта сложная структура экспрессии генов представляет собой примитивную регуляторную систему, позволяющую вирусу контролировать синтез белков на разных этапах жизненного цикла. Жизненный цикл аренавируса протекает исключительно в цитоплазме клетки.

Геном

Аренавирусы имеют сегментированный РНК-геном, состоящий из двух одноцепочечных амбисентных РНК. Как и все вирусы с РНК отрицательной полярности, геномная РНК сама по себе не является инфекционной и для инициирования инфекции в клетке хозяина требуется вирусный репликационный аппарат. Геномная РНК положительной полярности, упакованная в вирион аренавируса, обозначается как РНК отрицательной полярности и сначала должна быть скопирована в мРНК положительной полярности для производства вирусных белков. Сегменты РНК обозначаются как Small (S), Medium (M; при наличии) и Large (L) и кодируют четыре вирусных белка, используя уникальную амбисентную стратегию кодирования. Для маммаренавирусов и рептаренавирусов каждый сегмент РНК кодирует два вирусных белка в противоположных ориентациях, таким образом, геномная РНК отрицательной полярности служит матрицей для транскрипции одной мРНК, а копия РНК-генома положительной полярности – для второй мРНК. Экстремальные концы каждого сегмента РНК содержат высококонсервативную последовательность из 19 нуклеотидов, критически важную для рекрутирования вирусного репликационного аппарата и инициирования транскрипции вирусной мРНК и репликации генома. Консервативные последовательности 5'- и 3'- концов РНК комплементарны друг другу и позволяют каждому сегменту РНК формировать структуру РНК-шпильки с двойной спиралью, поддерживающую концы в тесном контакте и придающую очищенным геномным матрицам аренавируса округлый вид при визуализации с помощью электронной микроскопии. Структура РНК-шпильки критически важна для эффективного синтеза вирусной РНК, но потенциальные межконцевые взаимодействия с двойной спиралью РНК должны временно ослабляться для рекрутирования вирусной полимеразы. L-сегмент РНК имеет размер около 7,2 кб и кодирует вирусную РНК-зависимую РНК-полимеразу (L) и небольшой белок, содержащий RING-домен (Z). Z-белок формирует гомоолигомеры и является структурным компонентом вирионов. Образование этих олигомеров является важным этапом сборки частиц и почкования. Для инфективности вириона необходимо связывание Z с гликопротеиновым комплексом вирусной оболочки. Z также взаимодействует с белками L и NP. Активность полимеразы, по-видимому, модулируется ассоциацией между белками L и Z. Взаимодействие между белками Z и NP критически важно для упаковки генома.

Arenaviruses have a segmented RNA genome that consists of two single stranded ambisense RNAs. As with all negative sense RNA viruses, the genomic RNA alone is not infectious and the viral replication machinery is required to initiate infection within a host cell. Genomic sense RNA packaged into the arenavirus virion is designated negative sense RNA, and must first be copied into a positive sense mRNA in order to produce viral protein. The RNA segments are denoted Small (S), Medium (M; if present), and Large (L), and code for four viral proteins in a unique ambisense coding strategy. For mammarenaviruses and reptarenaviruses, each RNA segment codes for two viral proteins in opposite orientation such that the negative sense RNA genome serves as the template for transcription of a single mRNA and the positive sense copy of the RNA genome templates a second mRNA. The extreme termini of each RNA segment contains a 19 nucleotide highly conserved sequence that is critical for recruitment of the viral replication machinery and initiation of viral mRNA transcription and genomic replication. The conserved 5' and 3' RNA termini sequences are complementary and allows each RNA segment to adopt a double stranded RNA panhandle structure that maintains the termini in close proximity and results in a circular appearance to purified arenavirus genomic templates visualized by electron microscopy. The double stranded RNA panhandle structure is critical for efficient viral RNA synthesis, but potential interterminal double stranded RNA interactions must be transiently relieved in order to recruit the viral polymerase. The L segment RNA is approximately 7.2 kb, and encodes the viral RNA dependent RNA polymerase (L) and a small RING domain containing protein (Z). The Z protein forms homo oligomers and a structural component of the virions. The formation of these oligomers is an essential step for particle assembly and budding. Binding between Z and the viral envelope glycoprotein complex is required for virion infectivity. Z also interacts with the L and NP proteins. Polymerase activity appears to be modulated by the association between the L and Z proteins. Interaction between the Z and NP proteins is critical for genome packaging.

Микробиология

Гликопротеин (ГП) синтезируется как молекула-предшественник. Он расщепляется на три части – GP1, GP2 и стабильный сигнальный пептид (SSP). Эти реакции катализируются клеточными сигнальными пептидазами и клеточным ферментом Subtilisin Kexin Isozyme 1 (SKI 1)/Site 1 Protease (S1P). Эти процессы необходимы для приобретения способности к слиянию и включения зрелого ГП в формирующиеся вирионные частицы.

Клинические заболевания

Вирусы лимфоцитарного хориоменингита (ЛКМ) вызывают заболевание, похожее на грипп с лихорадкой, но иногда могут приводить к менингиту, который характеризуется большим количеством лимфоцитов в спинномозговой жидкости (что отражено в названии ЛКМ). Вирус Ласса вызывает лихорадку Ласса. Лихорадка Ласса эндемична в Западной Африке. Вирус был впервые выделен у американцев, находившихся в деревне Ласса, Нигерия. Вирус может передаваться от человека к человеку. Бессимптомные заболевания: Серологические исследования показывают, что скрытые инфекции, особенно среди членов охотничьих племен, распространены. Клинические инфекции: лихорадка Ласса характеризуется высокой температурой, сильной миалгией, коагулопатией, геморрагической кожной сыпью, а иногда и висцеральным кровоизлиянием, а также некрозом печени и селезенки. Другие аренавирусы, такие как вирус Юнина и вирус Мачупо, вызывают геморрагические лихорадки. Все эти заболевания представляют серьезную угрозу для общественного здоровья в регионах, где они регистрируются. Например, когда вирус Ласса Старого Света вызывает лихорадку Ласса, это обычно приводит к значительной смертности. Аналогично, вирус Юнина Нового Света вызывает аргентинскую геморрагическую лихорадку. Эта лихорадка – тяжелое заболевание с геморрагическими и неврологическими проявлениями и уровнем смертности от пятнадцати до тридцати процентов. Заболевание возникло в районе Лусаки (Замбия) и распространилось в Йоханнесбург (Южная Африка) после госпитализации первого пациента. Результаты генетического секвенирования, проведенного эпидемиологами из Колумбийского университета в Нью-Йорке (США) и Специального отдела патогенных микроорганизмов Центров по контролю и профилактике заболеваний в Атланте (США), подтвердили, что возбудителем заболевания является вирус семейства Arenaviridae, который в конечном итоге привел к смерти четырех из пяти инфицированных в Замбии и Южной Африке во время вспышки, начавшейся в сентябре 2008 года. Аренавирус также был установлен как причина смерти трех реципиентов донорских органов в Австралии, заразившихся вирусом после получения почки и печени от одного инфицированного донора органов в конце 2006 года. Все трое умерли в первую неделю 2007 года.

Lymphocytic choriomeningitis (LCM) viruses cause influenza like febrile illness, but occasionally they may cause meningitis, characteristically accompanied by large numbers of lymphocytes in the cerebrospinal fluid (as the name LCM suggests). Lassa virus causes Lassa fever. Lassa fever is endemic in west Africa. The virus was first isolated from Americans stationed in the village of Lassa, Nigeria. The virus can be transmitted person to person. Subclinical diseases: Serological studies suggest that inapparent infections particularly among members of hunting tribes are common. Clinical infections: Lassa fever is characterised by high fever, severe myalgia, coagulopathy, haemorrhagic skin rash, and occasional visceral haemorrhage as well as necrosis of liver and spleen. Other Arenaviruses like Junin virus, Machupo virus cause haemorrhagic fevers. All of these diseases pose a great threat to public health in the regions where it is taking place. For example, when the Old World Lassa virus turns into Lassa fever, this usually results in a significant amount of mortality. Similarly the New World Junin virus causes Argentine hemorrhagic fever. This fever is a severe illness with hemorrhagic and neurological manifestations and a case fatality of fifteen to thirty percent. The disease originated near Lusaka, Zambia and spread to Johannesburg, South Africa, after the first patient was transported to a hospital there. The results of genetic sequencing tests conducted by epidemiologists at Columbia University in New York City, USA, and at the Special Pathogens Branch of the Centers for Disease Control in Atlanta, USA, provided evidence that the causative agent of the disease is a virus from the family Arenaviridae, which ultimately resulted in the deaths of four out of the five infected in Zambia and South Africa during the outbreak which began in September 2008. Arenavirus has also pinpointed as the cause of death of three donor organ recipients in Australia who contracted the virus after receiving kidney and a liver donations from a single infected organ donor in late 2006. All three died in the first week of 2007.

ВОЗ и ее партнеры из Глобальной сети предупреждения и реагирования на вспышки (GOARN) продолжают оказывать поддержку министерствам здравоохранения обеих стран в различных аспектах расследования вспышки, включая лабораторную диагностику, эпидемиологические исследования, активное выявление случаев и отслеживание контактов.

Лечение

Доступных методов лечения крайне мало. Отсутствие лицензированной вакцины и ограниченные терапевтические возможности в отношении аренавирусов делают эту группу вирусов одной из наиболее забытых и недоизученных. Единственным лицензированным препаратом для лечения инфекций, вызванных аренавирусами у человека, является нуклеозидный аналог рибавирин. Рибавирин снижает заболеваемость и смертность у людей, инфицированных определенными аренавирусами, такими как LASV и JUNV, при применении на ранних стадиях заболевания. Эффективность рибавирина при лечении тяжелых аренавирусных инфекций неоднозначна, и он связан со значительными побочными эффектами.

Экспериментальные подходы

Необходимо производить эффективные противовирусные препараты с низкой себестоимостью, для перорального применения и устойчивые к условиям тропического климата, учитывая регионы распространения этих инфекций. В связи с этим, высокопроизводительный скрининг (HTS) небольших молекулярных библиотек может стать ключом к поиску более эффективного средства. HTS предполагает создание библиотек небольших синтетических молекул, которые можно использовать для выявления молекул, активирующих ("агонисты") или ингибирующих ("антагонисты") взаимодействие с белками.