Дата:
08.04.2013
Образовательный плакат с моделью папилломавируса человека (ВПЧ)
  • Поделиться

Вирусы папилломы (papilloma viruses) заражают клетки кожи и слизистых оболочек — кератиноциты, которые служат основным механическим барьером между внешней средой и внутренней средой организма. Эта группа вирусов очень разнообразна, и многие ее представители не вызывают никаких симптомов. Однако патогенные представители могут приводить не только к образованию папиллом и бородавок, но и к злокачественным опухолям.

История и распространенность ВПЧ

Бородавки и кожные заболевания упоминаются и описываются начиная с самых древних литературных источников. Первые подробные описания кожных новообразований составил древнеримский естествоиспытатель и врач Авл Корнелий Цельс, живший на рубеже старой и новой эры [7]. Предположения о том, что некоторые бородавки могут передаваться инфекционными агентами возникло еще раньше. Показать, что этими агентами являются вирусы удалось в начале ХХвека (обзорная информация по ссылке 4). Первый вирус папилломы был выделен в 1933 Ричардом Шоупом [8], американским вирусологом, который также впервые выделил и вирус гриппа [9].

Папилломавирусы втречаются у млекопитающих и существенно менее распространены среди птиц. Эволюционная история папилломавирусов началась тогда, когда появились первые высшие позвоночные (амниоты, к которым относятся пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие) [10]. Более подходящими хозяевами для этой группы вирусов, в виду строения кожного покрова, оказались млекопитающие, у которых они представлены множеством подсемейств и родов [11]. Родство вирусов папилломы с другими семействами ДНК-вирусов (например,полиомавирусами) пока не продемонстрировано достаточно убедительно [12].

Человека могут заражать более 100 штаммов папилломавирусов, которые делят на штаммы с высоким либо низким риском возникновения рака. При этом низкопатогенных разновидностей существенно больше.

К злокачественным новообразованиям (в это касается рака шейки матки и аногенитальной зоны) приводят всего 18 штаммов. Передаются вирусы папилломы человека(ВПЧ) в основном половым путем и при контакте слизистых.

Считается, что ВПЧ низкого риска продуцируют больше вирионов, лучше распространяются, хотя и элиминируются из организма за один-два года, или даже быстрее [13]. По сравнению с ними, штаммы высокого риска заражают меньшее количество людей, но и иммунной системе с ними справиться сложнее [14]. Самыми канцерогенными являются штаммы ВПЧ 16 и ВПЧ 18, а за возникновение бородавок в аногенитальной зоне в 90% случаев ответственны штаммы ВПЧ 6 и ВПЧ 11 [15]. Именно эти представители папилломавирусов привлекают наибольшее внимание исследователей [16] [17].

Строение и биология вируса

Папилломавирусы имеют сравнительно маленькие вирионы, лишенные мембранной оболочки. Их диаметр около 30 нм. Это примерно в четыре раза меньше диаметра ВИЧ или гриппа, имеющих мембранную оболочку, происходящую из мембраны зараженной клетки. Геном папилломавирусов представлен кольцевой двуцепочечной молекулой ДНК, которая упакована при помощи гистонов — клеточных белков, участвующих в компактизации ДНК в ядре. Геном папилломавирусов кодирует два типа белков. Ранние белки (early proteins, E-proteins) осуществляют регуляторные функции, обеспечивают размножение вируса и, в ряде случаев, ответственны за злокачественное перерождение клеток. Поздние белки (late proteins, L-proteins) выполняют структурную функцию, формируя капсид вирионов.

Папилломавирусы непросто культивировать в лабораторных условиях, так как нативные частицы образуются либо в живых организмах, либо в сложных органотипических клеточных культурах, в которых клетки проходят стадии дифференцировки, аналогичные существующим в живом организме [18, 19 и 20].

Жизненный цикл вирусов папилломы привязан к стадиям развития кератиноцитов. Кератиноциты — это клетки, из которых в основном состоят эпидермис, верхний слой кожи, и слоистый эпителий слизистых оболочек.

Активно делящиеся молодые кератиноциты выстилают базальную мембрану, находящуюся под верхними слоями эпидермиса, а по мере созревания и дифференцировки кератиноциты вытесняются к поверхности кожи. Вирусные частицы заражают еще не дифференциированные клетки, а новые частицы образуются в кератиноцитах, достигших терминальной стадии дифференцировки.

Ранние белки папилломавирусов обеспечивают нужное содержание ДНК вируса в ядре клетки и координируют экспрессию его генов. Белки E1 и E2 образуют комплекс с ДНК вируса, привлекая клеточные системы репликации. За канцерогенный эффект у штаммов ВПЧ высокого риска ответственны ранние белки E6 и E7. E6 способен связываться с опухолевым супрессором р53, провоцируя его убиквитинизацию и уничтожение [21]. E7 у таких штаммов связывается и влияет на работу целого ряда белков, среди которых регуляторные белки и опухолевые супрессоры, такие как ретинобластомный фактор. Активность E6 и E7 приводит к неконтролируемому клеточному делению [22 и 18].

Поздние белки ВПЧ нужны для образования капсида и упаковки ДНК вируса. Основным структурным компонентом капсида папилломавирусов является белок L1, который образует пентамеры [23]. В состав одного капсида входит 72 пентамера. Капсид папилломавирусов имеет сферическую форму, однако в действительности он представляет собой икосаэдр с триангуляционным числом равным семи. Сферическая структура образуется не из комбинации гексамеров и пентамеров (как, например, в футбольном мяче), а из двух типов пентамеров. 60 пентамеров капсида ВПЧ образуют по 6 связей с соседними пентамерами, а 12 из них — по пять [2, глава 3]. Интересно, что строение L1 напоминает строение клеточных белков нуклеоплазминов, регулирующих упаковку нуклеосом [24]. На данный момент нет точного понимания, имеют ли L1 и нуклеоплазмины общего предка, или их схожесть результат конвергентной эволюции.

Минорный белок L2 также является структурным компонентом вирусной частицы. Один L2 приходится на один пентамер L1 [4]. По всей видимости, это белок важен для привлечения вирусных ДНК к собирающимся частицам. Существует гипотеза, что L1 и L2 могут взаимодействовать не непосредственно с нуклеиновой кислотой вируса, а с гистонами, которые ее компактизуют [4].

Каким конкретно образом ДНК уложена внутри вирсуной частицы, тоже не описано окончательно. Известно что в вирусоподобные частицы ВПЧ может быть упакована любая ДНК короче 8 тысяч пар нуклеотидов, что открывет перспективы для использовния ВПЧ в качестве трансформационных векторов. Интересно, что в распаковке капсида папилломавирусов участвует циклофилин — клеточный белок, также способствующий распаковке капсида, например ВИЧ [25].

Вакцины против ВПЧ

В настоящее время активно разрабатываются и внедряются вакцины против папилломавирусов. В основном они создаются против наиболее распространенных канцерогенных штаммов ВПЧ 16 и ВПЧ 18, а зтакже против ВПЧ 6 и ВПЧ 11, основной причины появления бородавок.

Имеющиеся вакцины от вирусов папилломы человека — это триумф прикладной структурной вирусологии. Однако, доступные вакцины, сделанные на основе рекомбинантных вирусоподобных частиц, собранных из белка основного капсидного L1, не защищают от всех типов патогенных ВПЧ. К счастью, новое поколение вакцин от ВПЧ, нацеленных на «Ахиллесову пяту» вируса — консервативные эпитопы, присутствующие на минорном белке L2, обещает предоставить широкую защиту от всех ВПЧ, включая все папилломавирусы, вызывающие рак, также как и вирусы, вызывающие доброкачественные кожные новообразования. Имеющиеся знания о структуре, динамике и функциях L2 все еще весьма ограничены. Эта информация крайне необходима для разработки универсальной вакцины от ВПЧ.

Доктор Кристофер Бак. Национальный института рака, США

Интерес к разработке вакцин был подогрет тем, что исследование связи папилломовирусов с раком шейки матки в 2008 году было удостоено Нобелевской премии в области физиологии и медицины. Немецкий ученый Харальд зур Хаузен (Harald zur Hausen) показал, что папилломавирусы являются причиной практически всех случаев рака шейки матки, второго по распространенности рака у женщин [1].

Интересно, что зур Хаузен исследовал среди прочего клетки культуры HeLa — первые человеческие клетки, которые удалось культивировать в 1951 году группе американских ученых [26]. Источником этой важнейшей клеточной линии стали клетки злокачественной опухоли американской гражданки Генриэтты Лакс, страдавшей раком шейки матки. Зур Хаузену удалось получить доступ к результатам биопсии Генриэтты и показать что женщина была заражена сразу несколькими разновидностями ВПЧ 18 одновременно, что и стало причиной возникновения у нее рака шейки матки. Эти важные исследования, а также история получения самой распространенной культуры человеческих клеток описаны в популярной форме в книге Ребекки Склут «Бессмертная жизнь Генриеэтты Лакс».

Показать ссылки
  • Руководитель проекта, 3D-визуализатор, 3D-технолог:
    Иван Константинов
  • Исследователь, консультант, автор текста:
    Юрий Стефанов, к.б.н.
  • Ведущий молекулярный моделлер:
    Анастасия Бакулина, к.б.н., Новосибирский государственный университет
  • Молекулярный моделлер:
    Дмитрий Щербинин, к.б.н.
  • 3D-моделлер:
    Александр Ковалевский
  • Верстка постера, улучшение подачи информации:
    Лиза Орешкина
  • Веб-технолог:
    Глеб Кондратенко
  • Корректор:
    Эми Гордон

Мы благодарны доктору Кристоферу Баку из Национального института рака США за интересную коммуникацию, полезную информацию и ссылки.

HIV illustration is unparalleled in terms of its complexity, accuracy, detail, and stunning choice of color scheme and perspective
Nicole Sender, International AIDS Vaccine Initiative