Replikacja wirusa variola i mechanizmy molekularne infekcji

Replikacja wirusa variola stanowi jeden z najbardziej fascynujących aspektów patogenezy ospy prawdziwej. W odróżnieniu od większości wirusów DNA, które wykorzystują maszynerię jądrową komórki gospodarza, wirus variola przeprowadza cały cykl replikacyjny w cytoplazmie¹. Ta unikalna cecha sprawia, że proces infekcji jest szczególnie złożony i skuteczny.

Wnikanie wirusa do komórki gospodarza

Proces infekcji rozpoczyna się od przyłączenia się wirusa do specyficznych receptorów na powierzchni komórki gospodarza za pośrednictwem antygenów hemaglutyniny wyrażonych na zewnętrznej powierzchni wirusa¹. Dokładny mechanizm wnikania nie jest jeszcze w pełni poznany, jednak wiemy, że wirusy poksowe wykorzystują przenikanie przez błonę komórkową, adsorpcję, fuzję błon i lizę jako cztery kluczowe etapy propagacji².

Wnikanie białek komórkowych pokswirusów następuje przez fosfolipidową błonę plazmatyczną i endocytozę zależną od niskiego wewnątrzkomórkowego pH, wykorzystując ponad jedenaście konserwowanych białek fuzyjnych do utworzenia kompleksu fuzji wnikania³. W przeciwieństwie do innych wirusów, wirus variola nie ma unikalnego receptora do wnikania do komórek³, co może wyjaśniać jego zdolność do infekowania różnych typów komórek.

Inicjacja replikacji w cytoplazmie

Po wniknięciu do komórki gospodarza replikacja wirusa variola rozpoczyna się w cytoplazmie, wykorzystując wiele własnych enzymów gospodarza do replikacji¹. Replikacja rozpoczyna się, gdy wirion dotrze do cytoplazmy komórki gospodarza¹. Najpierw cząsteczka mRNA jest transkrybowana przez polimerazę RNA i powiązane enzymy przed odkryciem genomu¹.

Pierwszymi genami, które są transkrybowane, są tak zwane geny wczesne, które kodują białka ułatwiające odkrycie genomu wirusowego i inicjują drugą rundę transkrypcji genów pośrednich¹. Geny pośrednie produkują mRNA, które są tłumaczone na białka umożliwiające transkrypcję późnej klasy genów¹. Geny późnej klasy kodują białka, które składają się na strukturalne i enzymatyczne składniki nowego wirionu¹.

Rola topoizomerazy typu IB

Jednym z najważniejszych enzymów w procesie replikacji jest topoizomeraza typu IB, odpowiedzialna za rozwijanie spakowanego, superskręconego wirusowego DNA w celu rozpoczęcia replikacji wirusowej¹. Proces ten odbywa się przez mechanizm łączenia nacięć, w którym nukleofilowa tyrozyna atakuje wiązanie fosfodiestrowe, tworząc wiązanie 3′-fosfotyrozoynowe i uwalniając wolną grupę 5′-hydroksylową¹.

To tworzy nacięcie w DNA, które rozwija się w celu złagodzenia superskręcenia, a następnie DNA jest ponownie ligowane, tworząc zrelaksowane DNA¹. Topoizomeraza wirusa variola typu IB jest niezwykłą topoizomerazą – jest zdecydowanie najmniejszą topoizomerazą (33 kDa) i działa tylko w określonych miejscach zawierających sekwencję 5′-(T/C)CCTT-3′ w genomie wirusa variola¹.

Topoizomeraza typu IB składa się z dwóch domen, które owijają się wokół tej sekwencji rozpoznawania, tworząc zacisk wokół DNA¹. Mniejsza domena N-końcowa jest odpowiedzialna za interakcje z sekwencją DNA, podczas gdy większa domena C-końcowa zawiera miejsce aktywne i jest obszarem odpowiedzialnym za całą aktywność enzymatyczną¹.

Przejęcie kontroli nad komórką gospodarza

Dalsza replikacja wirusa prowadzi do ostatecznego wyłączenia syntezy DNA, RNA i białek komórki gospodarza oraz powoduje zmiany w architekturze komórki, aby umożliwić wirusowi wykorzystanie maszyny genetycznej komórki gospodarza do reprodukcji¹. Ten proces jest kluczowy dla skutecznej replikacji wirusa i jego zdolności do przezwyciężenia mechanizmów obronnych gospodarza.

Badania wykazały, że wirusy poksowe manipulują rybosomami gospodarza, przekształcając je w stan podobny do roślinnego w celu replikacji⁴. Naukowcy odkryli, że ta kontrola występuje, gdy pokswirusy przekształcają ludzkie rybosomy w stan podobny do roślinnego w celu replikacji⁴. Zespół odkrył, że ujemnie naładowana pętla RACK1 jest wykorzystywana na korzyść pokswirusów, przy czym pokswirusy zmieniają rybosomy gospodarza tak, aby były selektywne względem wirusowego RNA⁵.

Synteza białek wirusowych

Genom wirusa variola składa się z około 190 otwartych ramek odczytu (ORF)². Synteza innych białek wirusowych jest kodowana przez produkty genów wczesnych lub późnych (E/L), które transkrybują wirusowe DNA produkujące RNA³. Wirusowe enzymy topoizomerazy typu IB zawierają wysoce konserwowany region składający się z pięciu wspólnych reszt aminokwasowych: tyrozyny, argininy, argininy, lizyny i histydyny/kwasu asparaginowego¹.

Istnieje 10 enzymów regulujących ekspresję genów oraz około 100 nukleoproteiny zaangażowanych w transkrypcję DNA¹. Większość mechanizmów obejmujących DNA, w tym replikację, transkrypcję i naprawę, indukuje pewien stopień pozytywnego superskręcenia, a napięcie spowodowane nagromadzeniem pozytywnego superskręcenia może być złagodzone przez enzymy topoizomerazy¹.

Aktywacja szlaku cGAS-STING

Aktywacja przez cytoplazmatyczne DNA syntazy cyklicznego monofosforanu guanozyno (GMP)-monofosforanu adenozyno (AMP) (cGAS) i wynikająca z tego wewnątrzkomórkowa synteza 2’3′-cyklicznego GMP-AMP (2’3′-cGAMP) oraz stymulatora genów interferonowych (STING) pozostaje przedmiotem zainteresowania³. Ten szlak sygnalizacyjny jest ważnym mechanizmem wykrywania wirusowego DNA przez układ immunologiczny wrodzony.

Znaczenie dla rozwoju terapii

Topoizomeraza typu IB jest kluczowym celem badań nad rozprzestrzenianiem się ospy prawdziwej, ponieważ jest integralną częścią procesu replikacji wirusa¹. Replikacja ospy prawdziwej jest skomplikowana, ponieważ nie przejmuje maszyny genetycznej gospodarza do reprodukcji, co czyni chorobę wysoce zjadliwą i trudną do specyficznego zwalczania przez leki przeciwwirusowe¹.

Zrozumienie tych molekularnych mechanizmów replikacji otwiera nowe możliwości dla rozwoju celowanych terapii przeciwwirusowych. Specyficzne enzymy wirusowe, takie jak topoizomeraza typu IB, mogą służyć jako cele molekularne dla nowych leków, które mogłyby być skuteczne w przypadku potencjalnego zagrożenia bioterrorystycznego lub pojawienia się podobnych patogenów.