Retrovirus - Retrovirus

"Retrovirologi" omdirigerar här. För tidskriften, se Retrovirology (tidskrift) .

Retrovirus
Hiv gross.png
HIV -retrovirusschema över cellinfektion, virusproduktion och virusstruktur
Virusklassificering e
(orankad): Virus
Rike : Riboviria
Rike: Pararnavirae
Provins: Artverviricota
Klass: Revtraviricetes
Beställa: Ortervirales
Familj: Retroviridae
Underfamiljer och släkten

Ett retrovirus är en typ av virus som sätter in en kopia av dess RNA -genom i DNA: t hos en värdcell som det invaderar, och ändrar därigenom genomet för den cellen. Väl inne i värdcellens cytoplasma använder viruset sitt eget omvänt transkriptasenzym för att producera DNA från sitt RNA -genom, motsatsen till det vanliga mönstret, alltså retro (bakåt). Det nya DNA: t inkorporeras sedan i värdcellgenomet av ett integrasenzym , vid vilket tillfälle retroviralt DNA kallas ett provirus . Värdcellen behandlar sedan det virala DNA: t som en del av sitt eget genom, transkriberar och översätter de virala generna tillsammans med cellens egna gener och producerar de proteiner som krävs för att montera nya kopior av viruset.

Även om retrovirus har olika underfamiljer har de tre grundläggande grupper: onkoretrovirus (onkogena retrovirus), lentivirus (långsamma retrovirus) och spumavirus (skummande virus). Onkoretrovirus kan orsaka cancer hos vissa arter, lentivirus kan orsaka allvarlig immunbrist och död hos människor och andra djur, och spumavirusen är godartade och inte kopplade till någon sjukdom hos människor eller djur.

Många retrovirus orsakar allvarliga sjukdomar hos människor, andra däggdjur och fåglar. Mänskliga retrovirus inkluderar HIV-1 och HIV-2 , orsaken till sjukdomen AIDS . Dessutom orsakar humant T-lymfotropiskt virus (HTLV) sjukdom hos människor. De murina leukemivirusen (MLV) orsakar cancer hos musvärdar. Retrovirus är värdefulla forskningsverktyg inom molekylärbiologi, och de har framgångsrikt använts i genleveranssystem.

Strukturera

Virioner , virus i form av oberoende partiklar av retrovirus, består av inneslutna partiklar med en diameter på cirka 100  nm . Det yttre lipidhöljet består av glykoprotein. Virionerna innehåller också två identiska enkelsträngade RNA- molekyler med en längd på 7-10 kilobaser . De två molekylerna är närvarande som en dimer, bildad genom basparning mellan komplementära sekvenser. Interaktionsställen mellan de två RNA-molekylerna har identifierats som en " kyssande stamslinga ". Även om virioner av olika retrovirus inte har samma morfologi eller biologi, är alla virionkomponenter mycket lika.

De viktigaste virionkomponenterna är:

  • Kuvert : består av lipider (erhållna från värdplasmamembranet under spirande process) samt glykoprotein som kodas av env -genen . Det retrovirala höljet har tre olika funktioner: skydd från den extracellulära miljön via lipid -tvåskiktet , vilket gör att retroviruset kan komma in/ut ur värdceller genom endosomal membranhandel och förmågan att direkt komma in i celler genom att smälta med sina membran.
  • RNA : består av ett dimer -RNA. Den har ett lock i 5' -änden och en poly (A) svans i 3' -änden. Genomiskt RNA (gRNA) produceras som ett resultat av värd-RNA-polymeras II (Pol II) -aktivitet och genom tillsats av ett 5'-metylskydd och en 3'-poly-A-svans bearbetas som ett värd-mRNA. RNA -genomet har också terminala icke -kodande regioner, som är viktiga vid replikering, och inre regioner som kodar virionproteiner för genuttryck . 5'-änden innefattar fyra regioner, som är R, U5, är PBS, och L. den R-regionen en kort upprepad sekvens vid varje ände av genomet används under omvänd transkription för att säkerställa korrekt end-to-end-överföring i den växande kedja. U5, å andra sidan, är en kort unik sekvens mellan R och PBS. PBS (primerbindningsställe) består av 18 baser komplementära till 3' -änden av tRNA -primer. L -regionen är en otranslaterad ledarregion som ger signalen för förpackning av genom -RNA. 3'-änden inkluderar 3 regioner, som är PPT (polypurin-kanal), U3 och R. PPT är en primer för plussträngad DNA-syntes under omvänd transkription . U3 är en sekvens mellan PPT och R, som fungerar som en signal som proviruset kan använda vid transkription . R är den terminala upprepade sekvensen vid 3' -änden.
  • Proteiner : bestående av gagproteiner, proteas (PR), polproteiner och env -proteiner.
    • Gruppspecifika antigen (gag) proteiner är huvudkomponenter i den virala kapsiden , som är cirka 2000–4000 kopior per virion. Gag har två nukleinsyrabindande domäner, inklusive matris (MA) och nukleokapsid (NC). Specifikt igenkänning, bindning och förpackning av retroviralt genomiskt RNA till sammansättning av virioner är en av de viktiga funktionerna hos Gag -protein. Gag -interaktioner med cellulära RNA reglerar också aspekter av montering. Uttrycket av gag enbart ger upphov till sammansättning av omogna virusliknande partiklar som knoppar från plasmamembranet. I alla retrovirus är Gag -proteinet föregångaren till det inre strukturella proteinet.
    • Proteas (pro) uttrycks olika på olika virus. Det fungerar i proteolytiska klyvningar under virionmognad för att göra mogna gag- och polproteiner. Retrovirala Gag -proteiner är ansvariga för att samordna många aspekter av virionmontering.
    • Polproteiner är ansvariga för syntesen av viralt DNA och integration i värd -DNA efter infektion.
    • Env -proteiner spelar en roll vid associering och inträde av virioner i värdcellen. Att ha en funktionell kopia av en env -gen är det som skiljer retrovirus från retroelement . Retrovirus förmåga att binda till sin målvärdcell med hjälp av specifika cellytreceptorer ges av ytkomponenten (SU) i Env-proteinet, medan retrovirus förmåga att komma in i cellen via membransmältning ges av membranet -förankrad transmembrankomponent (TM). Således är det Env -proteinet som gör att retroviruset kan vara smittsamt.
    • Flera proteinarter är associerade med RNA i retrovirusvirionen. Nukleokapsid (NC) protein är det mest förekommande proteinet, som täcker RNA; medan andra proteiner finns i mycket mindre mängder och har enzymaktiviteter. Vissa enzymaktiviteter som finns i retrovirusvirionen inkluderar RNA-beroende DNA-polymeras (omvänt transkriptas; RT), DNA-beroende DNA-polymeras, ribonukleas H (RNas H) integras och proteas. De retrovirala RNaserna H som kodas av alla retrovirus, inklusive HIV har visats visa tre olika klyvningssätt: internt, DNA 3 ′ slutriktat och RNA 5 ′ slutriktat. Alla tre klyvningsmetoder utgör roller vid omvänd transkription. Därför är RNase H -aktiviteten väsentlig i flera aspekter av omvänd transkription. Användningen av en RNas H-aktivitet under retroviral replikation visar en unik strategi för att kopiera ett enkelsträngat RNA-genom till ett dubbelsträngat DNA, eftersom minus-sträng-DNA: t är komplementärt och gör basparning till retrovirus genom i den första cykeln av DNA syntes. RNase H -ribonukleasaktiviteten krävs också i den retrovirala livscykeln, eftersom den genererar och avlägsnar primrar som är väsentliga av Reverse Transcriptase (RT) för initiering av DNA -syntes. Retrovirus som saknar RNas H -aktivitet är smittsamma.
Den genomiska och subgenomiska organisationen av ett prototypiskt retrovirus. Förkortningar förklaras i filbeskrivningen.

Genomisk struktur

Det retrovirala genomet förpackas som virala partiklar. Dessa virala partiklar är dimerer av enkelsträngade, positivkänsliga, linjära RNA-molekyler.

Retrovirus (och ortervirus i allmänhet) följer en layout av 5'– gag - pro - pol - env –3 'i RNA -genomet. gag och pol kodar för polyproteiner, var och en hanterar kapsiden och replikationen. De pol -regionen kodar enzymer som är nödvändiga för viral replikation, såsom omvänt transkriptas, proteas och integras. Beroende på viruset kan generna överlappa eller smälta samman i större polyproteinkedjor. Vissa virus innehåller ytterligare gener. Lentivirus släktet, spumavirus släktet, HTLV / bovint leukemi virus (BLV) släktet och ett nyligen introducerat fiskvirus släkte är retrovirus klassificerade som komplexa. Dessa virus har gener som kallas tillbehörsgener, förutom gag-, pro-, pol- och env -gener. Tillbehörsgener finns mellan pol och env, nedströms från env, inklusive U3 -regionen i LTR, eller i env och överlappande delar. Medan tillbehörsgener har hjälproller, koordinerar och reglerar de också viralt genuttryck. Dessutom kan vissa retrovirus bära gener som kallas onkogener eller onk -gener från en annan klass. Retrovirus med dessa gener (även kallade transformerande virus) är kända för sin förmåga att snabbt orsaka tumörer hos djur och omvandla celler i odling till ett onkogent tillstånd.

Polyproteinerna klyvs till mindre proteiner var och en med sin egen funktion. Nukleotiderna som kodar dem är kända som subgener .

Multiplikation

Ett retrovirus har ett membran som innehåller glykoproteiner, som kan binda till ett receptorprotein på en värdcell. Det finns två strängar av RNA i cellen som har tre enzymer: proteas, revers transkriptas och integras (1). Det första steget i replikationen är bindningen av glykoproteinet till receptorproteinet (2). När dessa har bundits försämras cellmembranet och blir en del av värdcellen och RNA -strängarna och enzymerna kommer in i cellen (3). Inuti cellen skapar omvänt transkriptas en komplementär DNA -sträng från retrovirus -RNA: t och RNA bryts ned; denna DNA -sträng är känd som cDNA (4). CDNA replikeras sedan och de två strängarna bildar en svag bindning och kommer in i kärnan (5). Väl i kärnan integreras DNA: t i värdcellens DNA med hjälp av integras (6). Denna cell kan antingen förbli vilande, eller så kan RNA syntetiseras från DNA: t och användas för att skapa proteinerna för ett nytt retrovirus (7). Ribosomenheter används för att översätta virusets mRNA till aminosyrasekvenserna som kan göras till proteiner i det grova endoplasmatiska retikulumet. Detta steg kommer också att göra virala enzymer och kapsidproteiner (8). Viralt RNA kommer att skapas i kärnan. Dessa bitar samlas sedan ihop och kläms av från cellmembranet som ett nytt retrovirus (9).

När retrovirus har integrerat sitt eget genom i könslinjen , överförs deras genom till en följande generation. Dessa endogena retrovirus (ERV), i kontrast till exogena , utgör nu 5–8% av det mänskliga genomet. De flesta infogningar har ingen känd funktion och kallas ofta " skräp -DNA ". Många endogena retrovirus spelar emellertid viktiga roller i värdbiologin, såsom kontroll av gentranskription, cellfusion under placentautveckling under spiring av ett embryo och resistens mot exogen retroviral infektion. Endogena retrovirus har också fått särskild uppmärksamhet vid forskning om immunologi -relaterade patologier, såsom autoimmuna sjukdomar som multipel skleros , även om endogena retrovirus ännu inte har visat sig spela någon kausal roll i denna sjukdomsklass.

Medan transkription klassiskt antogs ske endast från DNA till RNA, transkriberas omvänt transkriptas RNA till DNA. Termen "retro" i retrovirus hänvisar till denna omvändning (som gör DNA från RNA) av den vanliga transkriptionsriktningen. Den lyder fortfarande den centrala dogmen i molekylärbiologin , som säger att information kan överföras från nukleinsyra till nukleinsyra men inte kan överföras tillbaka från protein till antingen protein eller nukleinsyra. Omvänd transkriptasaktivitet utanför retrovirus har hittats i nästan alla eukaryoter , vilket möjliggör generering och insättning av nya kopior av retrotransposoner i värdgenomet. Dessa skär transkriberas av värdens enzymer till nya RNA -molekyler som kommer in i cytosolen. Därefter översätts några av dessa RNA -molekyler till virala proteiner. Proteinerna som kodas av gag- och pol-generna translateras från mRNA med genomlängd till Gag- och Gag-Pol-polyproteiner. Till exempel för gaggenen ; det översätts till molekyler av kapsidproteinet och för pol -genen; det översätts till molekyler av omvänt transkriptas. Retrovirus behöver mycket mer mängd Gag -proteiner än Pol -proteinerna och har utvecklat avancerade system för att syntetisera den erforderliga mängden av varje. Som ett exempel, efter Gag -syntes avslutar nästan 95 procent av ribosomerna translation, medan andra ribosomer fortsätter translation för att syntetisera Gag -Pol. I det grova endoplasmatiska retikulumet börjar glykosyleringen och env -genen translateras från skarvade mRNA i det grova endoplasmatiska retikulumet till molekyler av höljesproteinet. När kuvertproteinmolekylerna transporteras till Golgi -komplexet delas de upp i ytglykoprotein och transmembranglykoprotein av ett värdproteas. Dessa två glykoproteinprodukter håller nära anknytning, och de transporteras till plasmamembranet efter ytterligare glykosylering.

Det är viktigt att notera att ett retrovirus måste "ta med" sitt eget omvänt transkriptas i sin kapsid , annars kan det inte använda enzymerna i den infekterade cellen för att utföra uppgiften, på grund av den ovanliga karaktären av att producera DNA från RNA.

Industriella läkemedel som är utformade som proteas- och revers-transkriptashämmare är tillverkade så att de riktar sig mot specifika platser och sekvenser inom sina respektive enzymer. Men dessa läkemedel kan snabbt bli ineffektiva på grund av det faktum att gensekvenserna som kodar för proteaset och omvänt transkriptas snabbt muterar. Dessa förändringar i baser gör att specifika kodoner och platser med enzymerna förändras och därmed undviker läkemedelsinriktning genom att förlora de platser som läkemedlet faktiskt riktar sig mot.

Eftersom omvänd transkription saknar den vanliga korrekturläsningen av DNA -replikation, muterar ett retrovirus mycket ofta. Detta gör att viruset snabbt kan växa resistent mot antivirala läkemedel och hindrar utvecklingen av effektiva vacciner och hämmare för retroviruset.

En svårighet för vissa retrovirus, till exempel Moloney -retrovirus, innebär kravet på att cellerna ska dela sig aktivt för transduktion. Som ett resultat är celler som neuroner mycket resistenta mot infektion och transduktion av retrovirus. Detta ger upphov till en oro för att införande av mutagenes på grund av integration i värdgenomet kan leda till cancer eller leukemi. Detta till skillnad från Lentivirus , ett släkte av Retroviridae , som kan integrera sitt RNA i genomet av icke-delande värdceller.

Rekombination

Två RNA -gener förpackas i varje retroviruspartikel, men efter en infektion genererar varje virus endast ett provirus . Efter infektion sker omvänd transkription och denna process åtföljs av rekombination . Rekombination innebär att mallsträng växlar mellan de två genomkopiorna (reklamkombination för kopior) under omvänd transkription. Från 5 till 14 rekombinationshändelser per genom inträffar vid varje replikationscykel. Genetisk rekombination verkar vara nödvändig för att upprätthålla genomets integritet och som en reparationsmekanism för att rädda skadade genomer.

Överföring

Provirus

DNA som bildas efter omvänd transkription (proviruset) är längre än RNA -genomet eftersom var och en av terminalerna har U3 - R - U5 -sekvenserna som kallas long terminal repeat (LTR). Således har 5' -terminalen den extra U3 -sekvensen, medan den andra terminalen har U5 -sekvensen. LTR: er kan skicka signaler för viktiga uppgifter som ska utföras, såsom initiering av RNA -produktion eller hantering av transkriptionshastigheten. På så sätt kan LTR: er styra replikationen, därav hela viralcykelns framsteg. Även om det ligger i kärnan är det icke-integrerade retrovirala cDNA ett mycket svagt substrat för transkription. Av denna anledning är ett integrerat provirus nödvändigt för permanent och effektivt uttryck av retrovirala gener.

Detta DNA kan införlivas i värdgenomet som ett provirus som kan överföras till avkommaceller. Retrovirus -DNA sätts in slumpmässigt i värdgenomet. På grund av detta kan det sättas in i onkogener . På detta sätt kan vissa retrovirus omvandla normala celler till cancerceller. Viss provirus förblir latent i cellen under en lång tid innan det aktiveras av förändringen i cellmiljön.

Tidig utveckling

Studier av retrovirus ledde till den första demonstrerade syntesen av DNA från RNA -mallar, ett grundläggande sätt för överföring av genetiskt material som förekommer i både eukaryoter och prokaryoter . Det har spekulerats i att RNA till DNA -transkriptionsprocesser som används av retrovirus först kan ha orsakat att DNA har använts som genetiskt material. I denna modell, RNA -världshypotesen , antog cellulära organismer det mer kemiskt stabila DNA: t när retrovirus utvecklades för att skapa DNA från RNA -mallarna.

En uppskattning av utvecklingsdatumet för de skumliknande endogena retrovirusen placerade den senaste gemensamma förfaderns tid för> 450  miljoner år sedan .

Genterapi

Gammaretrovirala och lentivirala vektorer för genterapi har utvecklats som medierar stabil genetisk modifiering av behandlade celler genom kromosomal integration av de överförda vektorgenomen. Denna teknik används inte bara för forskningsändamål utan även för klinisk genterapi som syftar till långsiktig korrigering av genetiska defekter, t.ex. i stam- och stamceller. Retrovirala vektorpartiklar med tropism för olika målceller har utformats. Gammaretrovirala och lentivirala vektorer har hittills använts i mer än 300 kliniska prövningar, som behandlar behandlingsalternativ för olika sjukdomar. Retrovirala mutationer kan utvecklas för att göra transgena musmodeller för att studera olika cancerformer och deras metastatiska modeller .

Cancer

Retrovirus som orsakar tumörtillväxt inkluderar Rous sarkomvirus och musbrösttumörvirus . Cancer kan utlösas av proto-onkogener som av misstag införlivades i proviralt DNA eller av störningar av cellulära proto-onkogener. Rous sarkomvirus innehåller src -genen som utlöser tumörbildning. Senare visade det sig att en liknande gen i celler är inblandad i cellsignalering, som troligen skars ut med det provirala DNA: t. Icke-transformerande virus kan slumpmässigt sätta in sitt DNA i proto-onkogener, vilket stör uttrycket av proteiner som reglerar cellcykeln. Promotor för provirus -DNA kan också orsaka överuttryck av regulatoriska gener. Retrovirus kan orsaka sjukdomar som cancer och immunbrist. Om viralt DNA integreras i värdkromosomer kan det leda till permanenta infektioner. Det är därför viktigt att upptäcka kroppens svar på retrovirus. Speciellt exogena retrovirus är associerade med patogena sjukdomar. Till exempel har möss musbrösttumörvirus (MMTV), vilket är ett retrovirus. Detta virus övergår till nyfödda möss genom bröstmjölk. Mössen som bär viruset får bröstcancer på grund av retroviruset när de är 6 månader gamla. Dessutom har leukemivirus I (HTLV-1), som finns i human T-cell, hittats hos människor i många år. Det beräknas att detta retrovirus orsakar leukemi i åldrarna 40 och 50. Det har en replikerbar struktur som kan framkalla cancer. Förutom den vanliga gensekvensen för retrovirus innehåller HTLV-1 en fjärde region, PX. Denna region kodar för regleringsproteinerna Tax, Rex, p12, p13 och p30. Tax -proteinet initierar den leukemiska processen och organiserar transkriptionen av alla virala gener i det integrerade HTLV -provirala DNA: t.

Klassificering

Fylogeni av Retroviridae

Exogen

Exogena retrovirus är infektiösa RNA- eller DNA-innehållande virus som överförs från en organism till en annan. I Baltimore-klassificeringssystemet , som grupperar virus baserat på deras sätt att messenger-RNA- syntes, klassificeras de i två grupper: Grupp VI: enkelsträngade RNA-virus med ett DNA-mellanprodukt i deras livscykel, och grupp VII: dubbelsträngade DNA -virus med en RNA -intermediär i deras livscykel.

Grupp VI -virus

Alla medlemmar i grupp VI använder viralt kodat omvänt transkriptas , ett RNA-beroende DNA-polymeras, för att producera DNA från det ursprungliga virion-RNA-genomet. Detta DNA är ofta integrerat i värdgenomet, som i fallet med retrovirus och pseudovirus , där det replikeras och transkriberas av värden.

Grupp VI inkluderar:

Familjen Retroviridae delades tidigare in i tre underfamiljer ( Oncovirinae , Lentivirinae och Spumavirinae ), men är nu uppdelade i två: Orthoretrovirinae och Spumaretrovirinae . Termen onkovirus används nu vanligtvis för att beskriva ett cancerframkallande virus. Denna familj innehåller nu följande släkten:

Observera att enligt ICTV 2017 har släktet Spumavirus delats in i fem släkten, och dess tidigare typ Simian skummande virus uppgraderas nu till släktet Simiispumavirus med inte mindre än 14 arter, inklusive nya arter av östlig schimpans simian skummande virus .

Grupp VII -virus

Huvudartikel: dsDNA-RT-virus

Båda familjerna i grupp VII har DNA -genom som finns i de invaderande viruspartiklarna. DNA-genomet transkriberas till både mRNA, för användning som transkript i proteinsyntes och pre-genomiskt RNA, för användning som mall under genomreplikation. Viralt kodat omvänt transkriptas använder det pre-genomiska RNA som en mall för skapandet av genomiskt DNA.

Grupp VII inkluderar:

Den senare familjen är nära besläktad med det nyligen föreslagna

medan familjerna Belpaoviridae , Metaviridae , Pseudoviridae , Retroviridae och Caulimoviridae utgör ordningen Ortervirales .

Endogen

Huvudartikel: Endogent retrovirus

Endogena retrovirus ingår inte formellt i detta klassificeringssystem och klassificeras i stort i tre klasser, på grundval av släktskap med exogena släkten:

  • Klass I liknar mest gammaretrovirus
  • Klass II är mest lik betaretrovirus och alpharetrovirus
  • Klass III liknar mest spumavirus.

Behandling

Antiretrovirala läkemedel är läkemedel för behandling av infektion med retrovirus, främst HIV . Olika klasser av antiretrovirala läkemedel verkar på olika stadier av HIV -livscykeln . Kombination av flera (vanligtvis tre eller fyra) antiretrovirala läkemedel är känd som högaktiv anti-retroviral terapi (HAART).

Behandling av veterinära retrovirus

Feline leukemivirus och Feline immunbristvirusinfektioner behandlas med biologiska medel , inklusive den enda immunmodulator som för närvarande är licensierad för försäljning i USA, Lymphocyte T-Cell Immune Modulator (LTCI).

Anteckningar

Referenser

Vidare läsning

externa länkar