Ретровирусы: структура, классификация и роль в биологии.

Введение

Семья вирусов

Ретровирус – это тип вируса, который внедряет ДНК-копию своего РНК-генома в ДНК клетки-хозяина, в которую он проникает, тем самым изменяя геном этой клетки. Попав в цитоплазму клетки-хозяина, вирус использует собственный фермент обратную транскриптазу для синтеза ДНК из своего РНК-генома, что является обратным обычному процессу, отсюда и название «ретро» (обратный). Затем новая ДНК встраивается в геном клетки-хозяина ферментом интегразой, после чего ретровирусная ДНК называется провирусом. Клетка-хозяин затем рассматривает вирусную ДНК как часть своего собственного генома, транскрибируя и транслируя вирусные гены вместе со своими собственными генами, производя белки, необходимые для сборки новых вирусных частиц. Многие ретровирусы вызывают серьезные заболевания у людей, других млекопитающих и птиц. Лентивирусы (медленные вирусы) включают ВИЧ-1 и ВИЧ-2, которые являются причиной синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД) у людей. Спомавирусы (пенообразные вирусы) доброкачественны и не связаны с какими-либо заболеваниями у людей или животных. Специализированные ферменты, обеспечивающие проникновение ДНК в ретровирусах, делают их ценными инструментами для исследований в молекулярной биологии, и они успешно используются в системах доставки генов. Данные, полученные при изучении эндогенных ретровирусов (унаследованной провирусной ДНК в геномах животных), указывают на то, что ретровирусы инфицируют позвоночных на протяжении как минимум 450 миллионов лет.

Геномная структура

Ретровирусный геном упакован в вирусные частицы. Эти вирусные частицы представляют собой димеры одноцепочечных, позитивных, линейных молекул РНК. В зависимости от вируса гены могут перекрываться или сливаться в более крупные полипротеиновые цепи. Некоторые вирусы содержат дополнительные гены. Род лентивирусов, род спамавирусов, род вирусов лейкемии HTLV/крупного рогатого скота (BLV) и недавно выделенный род рыбьих вирусов классифицируются как сложные ретровирусы. Эти вирусы, помимо генов gag, pro, pol и env, имеют гены, называемые акцессорными. Акцессорные гены расположены между генами pol и env, ниже по потоку от env, включая область U3 LTR, или в гене env и перекрывающихся с ним участках. Хотя акцессорные гены выполняют вспомогательные функции, они также координируют и регулируют экспрессию вирусных генов. Кроме того, некоторые ретровирусы могут нести гены, называемые онкогенами или онкогены, из другого класса. Ретровирусы, содержащие эти гены (также называемые трансформирующими вирусами), известны своей способностью быстро вызывать опухоли у животных и трансформировать клетки в культуре в онкогенное состояние. Полипротеины расщепляются на более мелкие белки, каждый из которых выполняет свою собственную функцию. Нуклеотиды, кодирующие их, называются субгенами. Большинство вставок не имеют известной функции и часто называются «мусорной ДНК». Однако многие эндогенные ретровирусы играют важную роль в биологии хозяина, например, в контроле транскрипции генов, слиянии клеток во время развития плаценты в процессе прорастания эмбриона и устойчивости к экзогенной ретровирусной инфекции. Эндогенные ретровирусы также привлекли особое внимание в исследованиях иммунологических патологий, таких как аутоиммунные заболевания, такие как рассеянный склероз, хотя причинная роль эндогенных ретровирусов в этом классе заболеваний пока не доказана. В то время как классически считалось, что транскрипция происходит только с ДНК на РНК, обратная транскриптаза транскрибирует РНК в ДНК. Термин «ретро» в ретровирусе относится к этой инверсии (созданию ДНК из РНК) обычного направления транскрипции. Она по-прежнему подчиняется центральной догме молекулярной биологии, которая гласит, что информация может передаваться от нуклеиновой кислоты к нуклеиновой кислоте, но не может передаваться обратно от белка к белку или нуклеиновой кислоте. Активность обратной транскриптазы, помимо ретровирусов, была обнаружена почти у всех эукариот, что позволяет генерировать и вставлять новые копии ретротранспозонов в геном хозяина. Эти вставки транскрибируются ферментами хозяина в новые молекулы РНК, которые попадают в цитозоль. Затем некоторые из этих молекул РНК транслируются в вирусные белки. Белки, кодируемые генами gag и pol, транслируются из мРНК полной длины генома в полипротеины Gag и Gag–Pol. Например, ген gag транслируется в молекулы капсидного белка, а ген pol – в молекулы обратной транскриптазы. Ретровирусам требуется гораздо больше белков Gag, чем Pol, и они разработали сложные системы для синтеза необходимого количества каждого из них. Например, после синтеза Gag почти 95 процентов рибосом прекращают трансляцию, в то время как другие рибосомы продолжают трансляцию для синтеза Gag–Pol. В грубом эндоплазматическом ретикулуме начинается гликозилирование, а ген env транслируется из сплайсированных мРНК в грубом эндоплазматическом ретикулуме в молекулы белка оболочки. Когда молекулы белка оболочки доставляются в комплекс Гольджи, они разделяются на поверхностный гликопротеин и трансмембранный гликопротеин под действием протеазы хозяина. Эти два гликопротеиновых продукта остаются в тесном взаимодействии и после дальнейшего гликозилирования транспортируются на плазматическую мембрану. Одна из трудностей, с которой сталкиваются некоторые ретровирусы, такие как ретровирус Молони, заключается в требовании к клеткам активно делиться для трансдукции. В результате клетки, такие как нейроны, очень устойчивы к инфицированию и трансдукции ретровирусами. Это вызывает опасения, что инсерционный мутагенез, вызванный интеграцией в геном хозяина, может привести к раку или лейкемии. В отличие от лентивирусов, рода Retroviridae, которые способны интегрировать свою РНК в геном неделящихся клеток-хозяев.

The retroviral genome is packaged as viral particles. These viral particles are dimers of single stranded, positive sense, linear RNA molecules. Depending on the virus, the genes may overlap or fuse into larger polyprotein chains. Some viruses contain additional genes. The lentivirus genus, the spumavirus genus, the HTLV / bovine leukemia virus (BLV) genus, and a newly introduced fish virus genus are retroviruses classified as complex. These viruses have genes called accessory genes, in addition to gag, pro, pol and env genes. Accessory genes are located between pol and env, downstream from the env, including the U3 region of LTR, or in the env and overlapping portions. While accessory genes have auxiliary roles, they also coordinate and regulate viral gene expression. In addition, some retroviruses may carry genes called oncogenes or onc genes from another class. Retroviruses with these genes (also called transforming viruses) are known for their ability to quickly cause tumors in animals and transform cells in culture into an oncogenic state. The polyproteins are cleaved into smaller proteins each with their own function. The nucleotides encoding them are known as subgenes. Most insertions have no known function and are often referred to as "junk DNA". However, many endogenous retroviruses play important roles in host biology, such as control of gene transcription, cell fusion during placental development in the course of the germination of an embryo, and resistance to exogenous retroviral infection. Endogenous retroviruses have also received special attention in the research of immunology related pathologies, such as autoimmune diseases like multiple sclerosis, although endogenous retroviruses have not yet been proven to play any causal role in this class of disease. While transcription was classically thought to occur only from DNA to RNA, reverse transcriptase transcribes RNA into DNA. The term "retro" in retrovirus refers to this reversal (making DNA from RNA) of the usual direction of transcription. It still obeys the central dogma of molecular biology, which states that information can be transferred from nucleic acid to nucleic acid but cannot be transferred back from protein to either protein or nucleic acid. Reverse transcriptase activity outside of retroviruses has been found in almost all eukaryotes, enabling the generation and insertion of new copies of retrotransposons into the host genome. These inserts are transcribed by enzymes of the host into new RNA molecules that enter the cytosol. Next, some of these RNA molecules are translated into viral proteins. The proteins encoded by the gag and pol genes are translated from genome length mRNAs into Gag and Gag–Pol polyproteins. In example, for the gag gene; it is translated into molecules of the capsid protein, and for the pol gene; it is translated into molecules of reverse transcriptase. Retroviruses need a lot more of the Gag proteins than the Pol proteins and have developed advanced systems to synthesize the required amount of each. As an example, after Gag synthesis nearly 95 percent of the ribosomes terminate translation, while other ribosomes continue translation to synthesize Gag–Pol. In the rough endoplasmic reticulum glycosylation begins and the env gene is translated from spliced mRNAs in the rough endoplasmic reticulum, into molecules of the envelope protein. When the envelope protein molecules are carried to the Golgi complex, they are divided into surface glycoprotein and transmembrane glycoprotein by a host protease. These two glycoprotein products stay in close affiliation, and they are transported to the plasma membrane after further glycosylation. One difficulty faced with some retroviruses, such as the Moloney retrovirus, involves the requirement for cells to be actively dividing for transduction. As a result, cells such as neurons are very resistant to infection and transduction by retroviruses. This gives rise to a concern that insertional mutagenesis due to integration into the host genome might lead to cancer or leukemia. This is unlike Lentivirus, a genus of Retroviridae, which are able to integrate their RNA into the genome of non dividing host cells.

Провирус

ДНК, образованная после обратной транскрипции (провирус), длиннее, чем РНК-геном, поскольку к каждому из концов добавлены последовательности U3-R-U5, называемые длинными терминальными повторами (LTR). Таким образом, 5'-конец содержит дополнительную последовательность U3, а другой конец – последовательность U5. Несмотря на то, что неинтегрированная ретровирусная комплементарная ДНК (кДНК) находится в ядре, она является очень слабым субстратом для транскрипции. Поэтому для постоянной и эффективной экспрессии ретровирусных генов необходима интеграция провируса.

Генная терапия

Для генной терапии разработаны гаммаретровирусные и лентивирусные векторы, обеспечивающие стабильную генетическую модификацию обработанных клеток посредством хромосомной интеграции перенесённых геномов векторов. Эта технология полезна не только для исследовательских целей, но и для клинической генной терапии, направленной на долгосрочную коррекцию генетических дефектов, например, в стволовых и прогениторных клетках. Созданы ретровирусные векторные частицы с тропизмом к различным клеткам-мишеням. Гаммаретровирусные и лентивирусные векторы на сегодняшний день использовались более чем в 300 клинических испытаниях для поиска вариантов лечения различных заболеваний. Ретровирусные мутации могут быть использованы для создания трансгенных моделей мышей для изучения различных видов рака и их метастатических моделей.

Рак

Ретровирусы, вызывающие рост опухолей, включают вирус саркомы Рауса и вирус опухоли молочной железы мыши. Рак может быть спровоцирован протоонкогенами, ошибочно включенными в провирусную ДНК, или нарушением клеточных протоонкогенов. Вирус саркомы Рауса содержит ген *src*, вызывающий образование опухоли. Позже было обнаружено, что аналогичный ген в клетках участвует в клеточной сигнализации, который, вероятно, был вырезан вместе с провирусной ДНК. Не трансформирующие вирусы могут случайно встраивать свою ДНК в протоонкогены, нарушая экспрессию белков, регулирующих клеточный цикл. Промотор провирусной ДНК также может вызывать сверхэкспрессию регуляторных генов. Ретровирусы могут вызывать заболевания, такие как рак и иммунодефицит. Интеграция вирусной ДНК в хромосомы хозяина может приводить к персистирующим инфекциям. Поэтому важно изучить реакцию организма на ретровирусы. Экзогенные ретровирусы особенно часто связаны с патогенными заболеваниями. Например, у мышей присутствует вирус опухоли молочной железы мыши (MMTV), являющийся ретровирусом. Этот вирус передается новорожденным мышам через материнское молоко. К шести месяцам мыши, инфицированные вирусом, заболевают раком молочной железы, вызванным ретровирусом. Кроме того, вирус лейкемии I (HTLV 1), обнаруженный в Т-клетках человека, циркулирует среди людей на протяжении многих лет. Предполагается, что этот ретровирус вызывает лейкемию в возрасте 40–50 лет. Он обладает способностью к репликации и может индуцировать рак. Помимо обычной генетической последовательности ретровирусов, HTLV 1 содержит четвертый регион, PX. Этот регион кодирует регуляторные белки Tax, Rex, p12, p13 и p30. Белок Tax инициирует лейкемический процесс и организует транскрипцию всех вирусных генов в интегрированной провирусной ДНК HTLV.

Экзогенные

Экзогенные ретровирусы – это инфекционные вирусы, содержащие РНК или ДНК, которые передаются от одного организма к другому. В системе классификации Балтимора, которая объединяет вирусы на основе способа синтеза мРНК, они классифицируются в две группы: группа VI – одноцепочечные РНК-вирусы с ДНК-промежуточным звеном в жизненном цикле, и группа VII – двухцепочечные ДНК-вирусы с РНК-промежуточным звеном в жизненном цикле.

Противоречия

Ретровирусы стали объектом нескольких недавних заявлений и утверждений, которые в основном были опровергнуты научным сообществом. Первоначальное исследование 2009 года представляло новые данные, которые могли бы изменить некоторые устоявшиеся представления об этой теме. Однако, хотя последующие исследования и опровергли некоторые заявления о ретровирусах, ряд неоднозначных личностей продолжают выдвигать утверждения, которые в целом не имеют под собой никакой обоснованной основы или поддержки в виде научного консенсуса.

Лечение

Антиретровирусные препараты – это лекарственные средства для лечения инфекций, вызванных ретровирусами, прежде всего ВИЧ. Различные классы антиретровирусных препаратов воздействуют на разные этапы жизненного цикла ВИЧ. Комбинация нескольких (обычно трех или четырех) антиретровирусных препаратов называется высокоактивной антиретровирусной терапией (ВАРТ).

Лечение ветеринарных ретровирусов

Вирус лейкемии кошек и вирус иммунодефицита кошек лечатся биологическими препаратами, включая единственный иммуномодулятор, имеющий лицензию на продажу в Соединенных Штатах на данный момент – модулятор иммунитета Т-лимфоцитов (LTCI).