3D-модель аденовируса человека
Дата:
26.11.2014
  • Поделиться

Аденовирус, как, и многие другие вирусы, не представляет смертельной опасности, вызывая у людей только простуду и редкие осложнения. Вместе с тем, аденовирусы являются перспективными объектами для разработки медицинских технологий и средств генной терапии.

Аденовирусы человека относятся к семейству Adenoviridae, представители которого заражают и других животных — например, коров, летучих мышей, уток, гекконов и даже осетров. У человека вирус поражает в основном клетки верхних дыхательных путей, вызывая преимущественно характерные простудные симптомы и иногда коньюктивит [1, 2]. Из всех ОРВИ на долю аденовирусов приходится менее 5% из всего числа регистрируемых простуд [3].

Изредка, преимущественно у детей, аденовирусы могут провоцировать гастроэнтерит, а у людей с ослабленным иммунитетом вызывать опасные осложения, такие как пневмония. На сегодняшний момент известно более 50 штаммов аденовирусов, способных заражать человека [4]. Эти вирусы передаются воздушно-капельным путем, а также часто могут встречаться в небольших водоемах или бассейнах с плохой дезинфекцией.

Вирионы аденовирусов не окружены мембраной, однако имеют размеры, соспотавимые с размерами ВИЧ или вируса гриппа, и включают больше структурных белков. Вирионы имеют форму правильного двадцатигранника с выступающими структурами, которыми аденовирус связывается с заражаемыми клетками [5]. Внутри частицы находится ДНК-геном, некоторые участки которого можно генно-инженерными методами заменить на фрагменты чужеродного генетического материала. В таком случае вирус становится средством доставки любых генов в самые разные клетки. Именно эта возможность позволяет рассматривать аденовирусы как перспективный инструмент для осуществления генной терапии некоторых заболеваний, среди которых отдельные виды рака.

Строение частицы

Аденовирусные частицы не окружены липидной оболочкой, тем не менее имеют довольно крупыне для таких вирусов размеры — порядка 90 нм. Это связано с наличием большого количества структурных белков и длинным геномом, который примерно в 4 раза крупнее генома ВИЧ. Аденовирусный капсид имеет форму икосаэдра со скругленными рёбрами [5]. В каждой вершине имется выступающая белковая структура, необходимая для связывания с клеточными рецепторами [6]. Внутри частицы упакован геном вируса, представленный линейной двуцепочечной ДНК, длина которой варьируется, но в среднем составляет 35000 пар нуклеотидов [7]

В формировании наружной оболочки аденовирусов участвует 7 типов белков. Одни белки составляют основу в формировании граней, другие обеспечивают им дополнительную структурную прочность, а из третьих состоят вершины. В упаковке генома задействовано еще пять типов белков [8, 9, 10, 11].

Основным структурным компонентом граней аденовирусного капсида является гексоновый белок (Hexon protein II), три молекулы которого образуют основу элементарной структурной единицы — гексона [12]. Одна грань формируется группой из 9 гексонов. В этой группе присутствуют другие структурные белки, необходимые для того, чтобы ее стабилизировать. Это вирусные полипептиды VI, VIII и IX, которые располагаются под гексоновыми белками, ближе к центру частицы [8]. К каждой группе из 9 гексонов примыкает еще по два гексона, которые структурно не отличаются от остальных, однако связаны с другим белковым окружением. Они непосредственно примыкают к основаниям вершин капсида, с которыми они связаны при помощи другого структурного полипептида — IIIa [13]. В результате триангуляционное число аденовирусного капсида оказывается равно 25. Вершины образованы пентоновым белком (Penton base protein III), из названия которого ясно, что он формирует пентамерные структуры [14].

Каждый пентон является основанием для белкового выроста, образованного тримерами гликозилированного белка IV (Fiber protein IV) [15, 16]. Вырост состоит из очень подвижной ножки и глобулярного наконечника, который связывается с рецептором. (В английской терминологии эти структурные элементы соответственно носят названия «shaft», то есть «вал» или «ось», и «knob» — «набалдашник» или «ручка»).

У ряда крупных икосаэдрических вирусов и фагов вместо одной из вершин присутствует канал (портал), через который геном попадает внутрь при упаковке. У аденовируса тоже есть такая структура, сформированная белком IVa2, однако не совсем ясно, находится ли она под вершиной, или замещает ее [17]. Существующие данные о строении аденовирусного капсида получены в рамках предположения о том, что он полностью симметричен, однако, это не исключает возможности того, что одна из вершин отличается от остальных и играет принципиально иную роль в упаковке вируса.

Геном аденовируса

Длина генома у разных аденовирусов может варьироваться довольно сильно — от 26 до 46 тысяч нуклеотидов, что влияет на стабильность вириона [18]. Большинство генов вируса работает на ранних стадиях вирусного цикла и их основная задача — регуляция транскрипции и репликации вируса, а также подавление клеточной реакции на инфекцию [19, 20]. Поздние гены кодируют структурные белки, из которых впоследствии собираются новые частицы [21].

Пространственная организация генома аденовируса остается плохо изученной. Известно, что внутри вириона находятся большой (pVII) и малый (pV) коровые белки, в основном ответственные за упаковку генома; белок μ, тоже задействованный в этом процессе; терминальный белок ДНК, фиксирующий концы молекулы, и протеаза, необходимая для распаковки вируса в клетке [22, 23]. Однако их взаимное расположение, количество и конкретные функции являются предметом дальнейшего изучения. Есть данные, указывающие на то, что геном аденовируса имеет скорее доменно-петлевую организацию, нежели спиральную, что свойственно некоторым ДНК-содержащим фагам [24, 25].

Согласно существующим моделям, внутри капсида аденовируса присутствует порядка 1100-1300 белков pVII, которые формируют димеры, а затем объединяются в структуры по 6 субъединиц, играющие роль вирусных нуклеосом. Белок pV при этом может связывать такие нуклеосомоподобные структуры между собой, либо обеспечивать связь упакованной ДНК с капсидом через взаимодействие с белком pVI, находящимся под каждым гексоном [22].

Жизненный цикл и применение

Основным клеточным рецептором для человеческого аденовируса служит молекула поверхностного белка CAR (Coxsackievirus and adenovirus receptor), который в норме участвует в связывании клеток друг с другом и внеклеточными структурными полимерами [26, 27, 28]. Попав внутрь клетки, частица распаковывается, а вирусная ДНК попадает в клеточное ядро.

Вирус проникает внутрь клетки посредством клатрин-зависимого эндоцитоза или макропиноцитоза [29]. В дальнейшем вирус проникает из эндосомы в цитоплазму и доставляется к ядерной оболочке, после чего капсид окочательно распаковывается, а вирусная ДНК в комплексе с белком VII проникает в ядро [22, 30].

Раннние гены аденовируса, объединенные в группы — транскрипционные единицы, кодируют регуляторные белки. Их задача — активировать синтез ДНК в клетке, не дав ей уйти в апоптоз, а также заблокировать интерфероновый ответ и презентацию вирусных белков на поверхности клетки в составе молекул главного комплекса гистосовместимости первого типа, снизив тем самым иммунный ответ [31]. Помимо этого, белки ранней фазы запускают синтез структурных белков, который происходит на втором этапе внутреклеточной части цикла аденовируса.

То, что геном аденовируса способен проникать в ядро клетки, делает его перспективной основой для создания генетических векторов и систем генной терапии. В случае векторов, ДНК, которую надо доставить в клетку, заменяется на один или несколько нативных аденовирусных генов [32, 33, 34, 35, 36]. В самом простом варианте из генома вируса удаляют область, кодирующую фактор, который запускает синтез всех остальных вирусных белков (ген Е1А). Вирус с таким геномом не может самовоспроизводиться, однако экспрессия трансгена оказывается возможна, пусть она и лимитирована по времени.

В более сложных векторных системах и системах генной терапии аденовирусный геном изменяют сильнее. Так, например, большое внимание уделяется разработке вирусов, которые могли бы специфически размножаться в опухолевых клетках, селективно убивая их. Например, схема работы таких систем может быть основана на взаимодействии одного из белков кодирующей области Е1В аденовируса с клеточным белком p53, который в клетках опухолей часто выведен из строя. В случае нормальной вирусной инфекции белок Е1В-55 блокирует p53, не давая ему запустить в клетке апоптоз до того момента, как вирус размножится. Если удалить из генома вируса область Е1В, вирус сможет воспроизводиться и убивать только клетки, в которых p53 отсутствует, то есть, многие раковые [37, 38, 39].

Отдельным вариантом использования аденовирусных векторов в лечении раковых заполеваний является иммунотерапия опухолей. Принцип этого подхода в том, что в составе непатогенной аденовирусной частицы в опухолевую клетку доставляются гены толл-подобного рецептора TLR5 и флагеллина — основного компонента бактериальных жгутиков, который является лигандом TLR5. Взаимодействие этих белков в опухолевой ткани запускает каскад реакций, привлекающих клетки иммунной системы и провоцирующих адресный иммунный ответ, направленный против опухоли [40, 41]. Эта схема лежит в основе принципа работы препарата Мобилан, о котором мы рассказывали на нашем сайте.

Показать ссылки
  • Автор идеи, руководитель проекта, 3D-визуализатор, 3D-технолог:
    Иван Константинов
  • Научный консультант, автор текстов:
    Юрий Стефанов, к.б.н.
  • Сатрший молекулярный моделлер:
    Анастасия Бакулина, к.б.н.
  • 3D-моделлер:
    Александр Ковалевский

Visual Science выражает благодарность докторам Кармен Сан Мартин из Испанского национального центра биотехнологий в Мадриде, Майклу Империале из Университета Мичигана, Виджею Редди из Университета Скриппса в Калифорнии и Хонгу Джоу из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе за содержательное обсуждение отдельных аспектов строения аденовируса человека.

Перед студией стояла задача сформировать современный, нестандартный, легкий и лаконичный стиль, который точно отразит специфику компании. Команда «Visual Science» отлично справилась с задачей, продемонстрировав высокий профессиональный уровень и умение создавать дизайн безупречного качества.
Д.А. Сахаров, к. б. н., генеральный директор НТЦ "БиоКлиникум"