Введение

Энтеровирус

Полиовирус, возбудитель полиомиелита (также известного как детский паралич), является серотипом вида Энтеровирус C, в семействе пикорнавирусов. Существуют три серотипа полиовируса: типы 1, 2 и 3. Полиовирус состоит из РНК-генома и белкового капсида. Геном представляет собой одноцепочечную позитивную РНК (+ssRNA) длиной около 7500 нуклеотидов. Вирусная частица имеет диаметр около 30 нм и обладает икосаэдрической симметрией. Благодаря своему короткому геному и простому составу – только РНК и необолочковой икосаэдрической белковой оболочке, которая её заключает – полиовирус широко признан самым простым из значимых вирусов. Полиовирус был впервые выделен в 1909 году Карлом Ландштейнером и Эрвином Поппером. Структура вируса была впервые установлена в 1958 году с использованием рентгенодифракции группой исследователей из колледжа Биркбек под руководством Розалинд Франклин, что показало икосаэдрическую симметрию вируса полиомиелита. В 1981 году геном полиовируса был опубликован двумя различными группами исследователей: Винсентом Раканиелло и Дэвидом Балтимором из MIT и Наоми Китамурой и Эккардом Виммером из Университета Стони-Брук. Трехмерная структура полиовируса была определена в 1985 году Джеймсом Хоглом в Исследовательском институте Скриппса с использованием рентгеновской кристаллографии. Полиовирус является одним из наиболее хорошо изученных вирусов и стал полезной модельной системой для понимания биологии РНК-вирусов.

Происхождение и серотипы

Полиовирус структурно схож с другими человеческими энтеровирусами (коксакивирусами, эховирусами и риновирусами), которые также используют иммуноглобулиноподобные молекулы для распознавания и проникновения в клетки хозяина. Вероятно, видообразование полиовируса произошло в результате изменения специфичности к клеточному рецептору с межклеточной адгезионной молекулы 1 (ICAM 1), используемой вирусами кластера C Coxsackie A, на CD155, что привело к изменению патогенности и позволило вирусу инфицировать нервную ткань. Скорость мутации вируса относительно высока даже для РНК-вируса, с частотой синонимических замен 1,0 x 10−2 замен/сайт/год и частотой несинонимических замен 3,0 x 10−4 замен/сайт/год. Распределение оснований в геноме не является случайным: аденозин встречается реже, чем ожидалось, на 5'-конце, и чаще на 3'-конце. Использование кодонов также не является случайным, предпочтение отдается кодонам, заканчивающимся аденозином, в то время как кодоны, заканчивающиеся цитозином или гуанином, избегаются. Использование кодонов различается между тремя генотипами и, по-видимому, определяется мутациями, а не отбором. Три серотипа полиовируса – PV 1, PV 2 и PV 3 – каждый имеет немного отличающийся капсидный белок. Капсидные белки определяют специфичность к клеточному рецептору и антигенность вируса. PV 1 является наиболее распространенной формой, встречающейся в природе, но все три формы чрезвычайно инфекционны. Последний случай дикого типа PV 3 был зарегистрирован в октябре 2019 года, до этого вирус не обнаруживался с 2012 года. Специфические штаммы каждого серотипа используются для приготовления вакцин против полиомиелита. Инактивированная полиомиелитная вакцина готовится путем инактивации формалином трех диких, вирулентных референсных штаммов: Mahoney или Brunenders (PV 1), MEF 1/Lansing (PV 2) и Saukett/Leon (PV 3). Пероральная полиомиелитная вакцина содержит живые аттенуированные (ослабленные) штаммы трех серотипов полиовируса. Культивирование штаммов вируса в эпителиальных клетках почки обезьяны приводит к мутациям в вирусном IRES, что препятствует (или ослабляет) способность вируса инфицировать нервную ткань.

Патогенез

thumb|upright=0.8|Электронная микрография полиовируса

Основным фактором, определяющим инфекцию любого вируса, является его способность проникать в клетку и производить дополнительные инфекционные частицы. Считается, что наличие CD155 определяет животных и ткани, восприимчивые к инфицированию полиовирусом. CD155 обнаруживается (вне лабораторных условий) только в клетках человека, высших приматов и обезьян Старого Света. Однако полиовирус является строго человеческим патогеном и не инфицирует естественным путем другие виды (хотя шимпанзе и обезьяны Старого Света могут быть экспериментально заражены). Ген CD155, по-видимому, подвергался положительному отбору. Белок имеет несколько доменов, из которых домен D1 содержит участок связывания с полиовирусом. В этом домене 37 аминокислот отвечают за связывание вируса. Полиовирус – это энтеровирус. Инфекция происходит фекально-оральным путем, то есть вирус попадает в организм с пищей или водой, а его репликация происходит в желудочно-кишечном тракте. Вирус выделяется с фекалиями инфицированных людей. В 95% случаев наблюдается только первичная, временная вирусемия (наличие вируса в крови), и полиовирусная инфекция протекает бессимптомно. Примерно в 5% случаев вирус распространяется и реплицируется в других тканях, таких как бурая жировая ткань, ретикулоэндотелиальная ткань и мышцы. Продолжительная репликация вируса вызывает вторичную вирусемию и приводит к развитию незначительных симптомов, таких как лихорадка, головная боль и боль в горле. Паралитический полиомиелит развивается менее чем в 1% случаев полиовирусной инфекции. Паралитическое заболевание возникает, когда вирус проникает в центральную нервную систему (ЦНС) и реплицируется в мотонейронах спинного мозга, ствола мозга или моторной коры, что приводит к избирательному разрушению мотонейронов и, как следствие, к временному или постоянному параличу. Это очень редкое явление у младенцев, которые все еще обладают антителами к полиовирусу, полученными от матери. В редких случаях паралитический полиомиелит приводит к остановке дыхания и смерти. При паралитическом заболевании часто наблюдаются мышечные боли и спазмы, предшествующие слабости и параличу. Паралич обычно сохраняется от нескольких дней до нескольких недель до наступления выздоровления. Во многих отношениях неврологическая фаза инфекции рассматривается как случайное отклонение от нормальной желудочно-кишечной инфекции. Вторая гипотеза предполагает, что вирионы транспортируются из периферических тканей, омываемых кровью с вирусом, например, из мышечной ткани, в спинной мозг по нервным путям посредством ретроградного аксонального транспорта. Третья гипотеза заключается в том, что вирус попадает в ЦНС через инфицированные моноциты или макрофаги. У мышей, экспрессирующих CD155 (в результате генетической инженерии), но лишенных рецептора интерферона I типа, полиовирус не только реплицируется в расширенном спектре типов тканей, но и эти мыши могут быть инфицированы вирусом перорально.

Избегание иммунной системы

Полиовирус использует два ключевых механизма, чтобы уклоняться от иммунной системы. Во-первых, он способен выживать в сильнокислой среде желудка, что позволяет вирусу инфицировать организм и распространяться по всему телу через лимфатическую систему. Если рассматривать фазу прикрепления более детально, то у полиовируса с каньонами на поверхности вириона участки прикрепления вируса расположены в углублениях у основания этих каньонов. Каньоны слишком узкие для проникновения антител, поэтому участки прикрепления вируса защищены от иммунного надзора организма, в то время как остальная поверхность вириона может мутировать, чтобы избежать иммунного ответа. У людей, подвергшихся воздействию полиовируса, будь то в результате инфекции или иммунизации вакциной против полиомиелита, развивается иммунитет. У иммунных людей антитела к полиовирусу присутствуют в миндалинах и желудочно-кишечном тракте (особенно антитела IgA) и способны блокировать репликацию полиовируса; антитела IgG и IgM к полиовирусу могут предотвратить распространение вируса на мотонейроны центральной нервной системы.

Клонирование и синтез

В 1981 году Раканиелло и Балтимор использовали технологию рекомбинантной ДНК для создания первого инфекционного клона вируса РНК животного происхождения – полиовируса. ДНК, кодирующая РНК-геном полиовируса, была введена в культивируемые клетки млекопитающих, в результате чего был получен инфекционный полиовирус. Создание инфекционного клона значительно расширило понимание биологии полиовируса и стало стандартной технологией, используемой для изучения многих других вирусов. В 2002 году группе Эккарда Виммера из Университета Стони Брук удалось синтезировать полиовирус из его химического кода, создав первый в мире синтетический вирус. Ученые сначала преобразовали опубликованную последовательность РНК полиовируса длиной 7741 нуклеотид в последовательность ДНК, поскольку синтезировать ДНК было проще. Короткие фрагменты этой последовательности ДНК были заказаны по почте и собраны вместе. Затем полный вирусный геном был собран компанией, специализирующейся на синтезе генов. В синтезированную ДНК было встроено 19 маркеров, чтобы ее можно было отличить от природного полиовируса. Ферменты были использованы для преобразования ДНК обратно в РНК, ее естественную форму. Другие ферменты затем были использованы для трансляции РНК в полипептид, что привело к образованию функциональной вирусной частицы. Весь этот трудоемкий процесс занял два года. Новосозданный синтетический вирус был введен трансгенным мышам PVR, чтобы определить, способна ли синтетическая версия вызывать заболевание. Синтетический вирус оказался способен реплицироваться, инфицировать и вызывать паралич или смерть у мышей. Однако синтетическая версия была в 1000–10 000 раз слабее исходного вируса, вероятно, из-за одного из добавленных маркеров.

Изменение для терапии

Модификация полиовируса, называемая PVSRIPO, проходила испытания в ранних клинических исследованиях как потенциальное средство лечения рака.