Текст книги "Общая вирусология с основами таксономии вирусов позвоночных"

В вирусных и клеточных системах молекулярные механизмы транскрипции принципиально сходны. Отличие заключается в существовании различных способов регуляции транскрипции вирусных геномов. Необходимость такой регуляции определяется разной потребностью в вирусоспецифических белках. Структурные белки, как правило, требуются в больших количествах, чем белки-ферменты. Кроме того, на ранних стадиях инфекции нужны белки, обеспечивающие репликацию вирусного генома, а на поздних – структурные белки. Поэтому целесообразно, чтобы разные вирусные гены считывались с разной эффективностью, и эта эффективность менялась во времени.

Процесс транскрипции регулируется на уровне транскриптона (оперона) за счет работы репрессоров и активаторов белковой природы и энхансеров (усилителей), которые представляют собой определенные короткие последовательности геномной нуклеиновой кислоты. Транскрипция регулируется количественно и качественно и осуществляется как клеточными, так и вирус-специфическими механизмами.

У вирусов установлено существование целого ряда способов регуляции транскрипции.

Временной тип регуляции. У ДНК-содержащих вирусов существует три периода транскрипции: сверхранний, ранний и поздний. При сверхранней и ранней транскрипции считываются сверхранние и ранние гены, при поздней – поздние гены. Количество транскриптов поздних генов превышает количество ранних. Многие сверхранние мРНК являются генами NS белков-ферментов и регуляторов транскрипции и репликации. Поздние мРНК являются генами структурных белков. Фактором регуляции транскрипции у ядерных вирусов является транспорт мРНК в цитоплазму.

Каскадный тип регуляции транскрипции генов. Суть такой регуляции заключается в том, что продукты сверхранней транскрипции, например, α-белки, необходимы для транскрипции другой группы генов, кодирующих β-белки, которые, в свою очередь, включают транскрипцию следующей группы генов – γ-белков.

Полярный тип регуляции определяется порядком расположения генов в геноме. Количество синтезируемых молекул полипептида зависит от расстояния между геном и промотором. Вдоль генома (-)РНК вирусов существует как бы градиент эффективности транскрипции. Чаще транскрибируются гены 3'-региона, реже – гены 5'-конца.

Взаимное расположение и сила регуляторных сигналов. Считывание или несчитывание транскрибируемого участка матрицы зависит от свойств и расположения регуляторных сигналов – промоторов (обеспечивают начало транскрипции) и терминаторов (обеспечивают прекращение транскрипции). Основа регуляции – взаимное расположение регуляторных сигналов и их сила. Активность сигналов может меняться во времени.

Характер образования транскриптов и способ регуляции зависят от того, имеем ли мы дело с вирусами прокариот или эукариот. Напомним, что в клетках прокариот возможна множественная инициация трансляции на полицистронной матрице, тогда как в клетках эукариот на РНК реализуется только одна точка инициации трансляции и эта мРНК функционально моноцистронна. Ограничения, накладываемые клеткой хозяина, в первую очередь сказываются на механизмах транскрипции и посттранскрипционного созревания мРНК. Приведем конкретные примеры способов регуляции транскрипции вирусных геномов в клетках прокариот и эукариот.

Самый простой способ регуляции транскрипции в клетках прокариот установлен у фагов 1М13 и fd, где разная степень экспрессии фаговых генов регулируется за счет расположения и силы промоторов. За счет наличия «сильных» промоторов активно транскрибируются гены, кодирующие основной структурный белок капсида и ДНК-связывающий белок. В то же время, геномная последовательность, кодирующая минорные вирусные белки, имеет промоторы, отнесенные к разряду «слабых».

Более сложная регуляция транскрипции генов наблюдается у фага λ, имеющего, как минимум, три типа регуляции транскрипции: 1) ретро-регуляция – осуществляется при участии нуклеотидных последовательностей, расположенных за транскрибируемым геном. Этот участок комплементарен предшествующему участку гена и в образовавшемся транскрипте возникает внутримолекулярная двухнитевая структура, которая впоследствии разрушается РНКазой III; 2) аутогенная регуляция – регуляция активности гена при помощи продукта этого же гена; 3) индукция профага – наблюдается в результате инактивации репрессора.

Для бактериофагов показана реализация временного типа регуляции транскрипции, что связано с существованием ранних, средних и поздних генов и соответствующих им промоторов. Так, у фага Т4 структура ранних промоторов близка к таковой промоторов клетки хозяина и именно они сразу узнаются клеточной РНКполимеразой. Последующая активация средних генов связана с фагоспецифическим белком – продуктом трансляции раннего гена. Система регуляции транскрипции генов фага Т4 включает еще один уникальный механизм – ковалентную и нековалентную модификацию РНК-полимеразы, способствующую узнаванию ею поздних промоторов. Модифицированная РНК-полимераза перестает узнавать промоторы ранних генов.

Еще один способ временной регуляции наблюдается у фага Т7. Суть этого способа заключается в том, что одним из продуктов ранних генов, транскрибированных клеточной РНК-полимеразой, является фаговая РНК-полимераза, которая узнает уже другой набор промоторов и транскрибирует поздние гены.

Регуляция транскрипции вирусных геномов в эукариотических клетках осуществляется с помощью более сложных механизмов. Кроме промоторов и терминаторов транскрипционная система дополняется новыми регуляторными элементами – энхансерами (усилители), а также и разнообразными способами процессинга первичных транскриптов. В данном разделе мы не станем останавливаться на конкретных способах регуляции транскрипции генов вирусов эукариот, которые, в общих чертах, сходны с перечисленными выше.

Как дополнение, рассмотрим процессинг первичных транскриптов на примере ядерного вируса эукариот – аденовируса. Процессинг – это посттранскрипционные изменения первичных транскриптов или созревание мРНК, включающее кэпирование 5'-конца, полиаденилирование 3'-конца и сплайсинг. У аденовируса лишь кэпирование идет эффективно на разных стадиях репродукции и происходит до завершения синтеза транскрипта. Большой вклад в регуляцию экспрессии аденовирусного генома вносит альтернативное полиаденилирование. Особенно наглядно это видно при образовании поздних мРНК. В первичном транскрипте поздней области генов есть 5 участков, несущих сигнал полиаденилирования (гексануклеотид AAUAAA). Полиаденилирование может произойти в любом участке и из первичного транскрипта может образоваться только одна из 5-ти возможных классов мРНК. От выбора того или иного участка полиаденилирования зависит относительная концентрация той или иной мРНК. Подавляющее большинство кэпированных и полиаденилированных транскриптов аденовирусного генома подвергается альтернативному сплайсингу – удалению различных участков первичного транскрипта, что осуществляется при помощи клеточных механизмов. Наличие альтернативного сплайсинга и альтернативного полиаденилирования при процессинге первичных транскриптов вирусов эукариот определяется моноцистронностью эукариотических мРНК.

Трансляция – синтез белка на матрице РНК. Вирусы не имеют своих белоксинтезирующих систем и используют трансляционный аппарат клетки-хозяина, подчиняясь ограничениям, накладываемым этим хозяином. Так, в клетках эукариот белоксинтезирующий аппарат не приспособлен для инициации трансляции на внутренних участках мРНК. В связи с этим вирусы вынуждены преодолевать ограничения, накладываемые клеткой-хозяином, что в разных вирусных системах решается по-разному. Рассмотрим все эти процессы подробнее.

Общие принципы трансляции мРНК вирусов. Молекулярные механизмы синтеза вирусных белков принципиально не отличаются от синтеза белков клетки хозяина и включают четыре стадии: инициацию, элонгацию, терминацию синтеза и посттрансляционную модификацию белков.

Первые стадии определяются особенностями белоксинтезирующих систем клеток эукариот, где, как правило, функционирует только один инициирующий кодон. Для того чтобы образовать несколько функционально-активных белков, вирусы эукариот вынуждены преодолевать ограничения, накладываемые клеткой хозяина. Это может происходить за счет сегментации генома или образования субгеномных мРНК. Основная стратегия, которую реализуют вирусы эукариот с (+)РНК геномом – это синтез полипротеина, из которого путем ограниченного протеолиза образуются зрелые белки.

Нарезание полипротеинов-предшественников обеспечивают как вирусные, так и клеточные протеазы.

В зависимости от строения активного центра протеазы разделены на 4 класса – сериновые, цистеиновые, аспарагиновые и цинксодержащие. Протеолиз полипротеина у тогавирусов и флавивирусов обеспечивают вирусоспецифические сериновые протеазы, у пикорнавирусов – цистеиновая, у ретровирусов – вирусная аспарагиновая и клеточная сериновая протеиназы. Протеолиз может протекать в ходе трансляции, то есть до завершения синтеза полипротеина (флавивирусы), или после завершения трансляции. Так, у пикорнавирусов протеолиз идет по каскадному механизму: сначала образуются крупные фрагменты полипептидной цепи, а затем они нарезаются на более мелкие полипептиды.

Синтезированные вирусные белки подвергаются различным посттрансляционным модификациям:

1 Гликозилирование – является процессом созревания вирусных поверхностных гликопротеинов и осуществляется клеточными гликозилазами на мембранах ЭПР и аппарата Гольджи. Как правило, белки гликозилируются олигосахаридами маннозного типа, но в ряде случае процесс может идти дальше, и эти углеводные цепи замещаются на другие.

2 Ацилирование NH2-конца полипептидных цепей. Широко распространено у вирусов растений. У вирусов человека и животных 1-2 остатка жирных кислот (как правило, это миристиновая кислота) присутствуют в составе белка G вируса везикулярного стоматита, гемагглютинина вируса гриппа (НА), VP2 ротавируса и в белках некоторых других вирусов.

3 Фосфорилирование – осуществляется ферментом протеинкиназой, который может быть вирусоспецифическим или клеточным. Протеинкиназа обнаружена в составе вирионов целого ряда вирусов – вируса оспы, вируса везикулярного стоматита, герпеса, ретровирусов и др. Протеинкиназы вирусного происхождения осуществляют как самофосфорилирование, так и фосфорилирование клеточных белков, что является важным фактором в регуляции экспрессии клеточных и вирусных генов.

4 Протеолитическая модификация – нарезание вирусных полипротеинов и фрагментация поверхностных белков слияния, приводящая к их активации.

Трансляция эукариотических мРНК и сайты вирусной регуляции. Для понимания стратегий трансляции вирусных мРНК (в-мРНК) необходимо вспомнить основные этапы трансляции эукариотических мРНК (э-мРНК), точки ее регуляции и пути передачи сигналов, т.к. разрушение хозяйских сигнальных путей регуляции трансляции может вносить вклад в вирусный патогенез и прогрессию болезни.

Трансляция мРНК в клетках эукариот является сложным мульти-шаговым и мультибелковым процессом. Как очень сложный комплекс биохимических реакций, он подчинен строгой регуляции и чрезвычайно чувствителен к внутриклеточной и внеклеточной окружающей среде. В общих чертах, трансляция э-мРНК может изменяться в зависимости от концентрации энергетических субстратов, в ответ на митогенное возбуждение и регуляцию клеточного цикла, стресс, и вирусную инфекцию.

Вирусное трансляционное программирование . Специализированный природный аппарат синтеза белка высоко сохранен у прокариот и эукариот и охватывает более чем 30 различных генных продуктов, что требует большого размера генома. Таким образом, имеющая место трансляционная зависимость вирусов исключает необходимость кодирования компонентов для автономного вирусного белкового синтеза.

Вирусы эукариот развили эффективные средства эксплуатации их врожденной трансляционной зависимости через механизмы трансляционного программирования. Это процесс, в котором вирусы перестраивают трансляционный аппарат хозяина для обеспечения синтеза вирусных белков и управлять экспрессией продуктов собственных генов. Последнее особенно важно для РНК-содержащих вирусов, которые имеют ограниченный транскрипционный контроль и в основном полагаются на стратегии регуляции трансляции, которые и модулируют выражение вирусных генов.

Трансляционное программирование включает: 1) использование регуляции выше открытой рамки считывания (uORFs); 2) чтение перекрывающихся рамок считывания; 3) трансляцию мультицистронных мРНК; 4) контроль терминации трансляции. Это позволяет вирусам сохранять минимальный размер генома, делая его эффективным в кодирующей способности. Вообще, механизмы трансляционного программирования заложены непосредственно в структуре мРНК вирусов. Структурные элементы в пределах вирусных мРНК, которые затрагивают ее трансляционную эффективность или осуществляют трансляционный контроль, включают: длину и структурную сложность 5’– и 3’– нетранслируемых регионов (НТР), позицию и контекст инициирующего кодона AUG, стабильность и доступность m7G-кэпа и кэп-связывающего комплекса и положение uORF(s) предшествующего гена. Кроме этого, активные элементы нуклеотидной последовательности, которые связывают регуляторные факторы, могут передавать дополнительный уровень трансляционного управления на в-мРНК, облегчая трансляционную селективность. Вирусное трансляционное программирование воздействует на все уровни процесса трансляции, включая инициацию, элонгацию, терминацию и трансляционный контроль сигнальных путей хозяина.

Инициация трансляции. Основной контроль трансляции мРНК в эукариотических клетках происходит в процессе инициирования. Инициирование трансляции является процессом, в котором мРНК собирается в макромолекулярный комплекс с компонентами, требуемыми для синтеза белка, включая эукариотические факторы инициации (eIF) и факторы элонгации (EF). Инициация начинается с закрепления инициатора метионил-тРНК (Met-tRNAi) с 40S субъединицей рибосомы через формирование тройного комплекса eIF2-GTP-Met-tRNAi. В этом случае IF2 вероятнее всего связывается непосредственно с А-участком рибосомы и облегчает закрепление Met-tRNAi с Р-участком рибосомы. IF2 не является регуляторным белком и поэтому не может вносить вклад в регуляцию трансляции мРНК. Напротив, формирование EIF2-зависимого тройного комплекса и его объединение с Met-tRNAi и 40S субъединицей рибосомы может лимитировать скорость инициации, если альфа субъединица eIF2 (eIF2a) фосфорилируется специфическим белком киназой. Таким образом, фосфорилирование eIF2a представляет главную точку контроля над процессом инициации трансляции, так как изменяет эффективность и темп трансляции мРНК. EIF2 направляет тройной комплекс к 40S субъединице рибосомы, чтобы сформировать 43S комплекс прединициирования, который включает еще один фктор – eIF3. еIF3 облегчает закрепление 43S комплекса прединициирования на мРНК через кэпсвязывающий комплекс eIF4F, который независимо собирается вокруг m7G-кэп структуры мРНК.

Сборка eIF4F комплекса на мРНК зависит от eIF4E копонента этого комплекса, который узнает и непосредственно связывает m7G-кэп. Сродство eIF4E к m7Gкэпу является второй главной контрольной точкой в процессе инициации трансляции, которое изменяется через фосфорилирование eIF4E. Кроме этого, кэпсвязывающая активность eIF4E может быть блокирована через формирование комплекса eIF4E-eIF4E-связывающий белок (4E-BP), которое приводит к запрещению кэп-зависимой трансляции.

Формирование eIF4E/4E-BP комплекса регулируется через фосфорилирование 4E-BP и отрицательно воздействует на контроль роста клетки через изменение эффективности и селективности трансляции мРНК. Эти критические для кэпзависимой инициации трансляции точки используются вирусами, которые входят в наиболее изученное семейство пикорнавирусов, включающее вирусы полиомиелита, вирусы энцефаломиокардита, вирус гепатита А и др. Эти вирусы инициируют трансляцию через кэп-независимый механизм, который основан на внутреннем сайте связывания рибосомы (IRES) и опосредован расщеплением 220-kDa кэпсвязывающего белка EIF4 и дефосфорилированием 4E-BPs и u1080 формированием неактивного eIF4E/4E-BP комплекса (рисунок 16). Трансляция, опосредованная IRES, требует специфической последовательности в пределах вирусной РНК, которая взаимодействует с факторами хозяина. Таким образом, глобальный процесс IRES–опосредованной трансляции по существу устраняет соревнование с кэпзависимыми факторами трансляции мРНК клеток, создавая преимущества для трансляции вирусных мРНК.

Рисунок 16 – Ингибирование инициации кэп-зависимой трансляции мРНК клетки-хозяина пикорнавирусами

Рибосомное сканирование и выбор сайта AUG. После ассоциации с мРНК, 43S прединициирующий комплекс начинает сканирование мРНК от 5’-конца или, в случае кеп-независимой трансляции, входного сайта рибосомы, и продолжает сканирование до Met-tRNAi и взаимодействия с инициирующим кодоном AUG. Рибосомное сканирование не всегда совместимо с мРНК, которые обладают длинным и/или структурированным 5’-НТР.

Вирусы обладают механизмами, которые позволяют прединициирующему комплексу эффективно избегать большей части 5’-НТР и начинать сканирование в пределах области инициирующего кодона AUG вирусной мРНК. Первая ассоциация Met-tRNAi с инициирующим кодоном AUG приводит к гидролизу GTP в тройном комплексе, связанные факторы инициирования освобождаются и 60S субъединица рибосомы присоединяется к прединициирующему комплексу. В результате 80S инициирующий комплекс опосредует стадию элонгации трансляции. В этой модели, инициация начинается с 5’-проксимального AUG кодона. Однако выбор кодона AUG для инициации трансляции зависит частично от его контекста, где каноническая accAUGg последовательность проявляет самую высокую активность к инициированию. Отступление от этой последовательности связано с так называемым негерметичным сканированием, в котором прединициирующий комплекс редко признает неканонический или слабый AUG и сканирует мимо, чтобы начать трансляцию с кодона, более соответствующего каноническому инициирующему AUG.

Негерметичное сканирование при инициации трансляции популярно среди вирусов, а у ретровирусов оно может обеспечивать определенные стехиометрические взаимоотношения продуктов трансляции.

Удлинение. В течение стадии элонгации трансляции мРНК связана со многими 80S рибосомами, или полисомами, поскольку аминокислотные остатки последовательно присоединяются к СООН-концу растущей цепи пептидов. Во многих вирусных системах жизненный цикл разграничен на ранние и поздние события, которые могут различаться дифференцированным привлечением вирусных мРНК в полисомные комплексы в определенное время после инфекции. Например, у вируса простого герпеса (HSV-1) это часто совпадает с синтезом факторов латентности и детерминант вирулентности. Процесс трансляции на стадии элонгации подчинен вирусной регуляции. Механизмы контроля элонгации включают, например, рибосомальный сдвиг рамки считывания и направленную вирусом модификацию EF-1. Первый механизм распространен у ретровирусов и связан с наличием дополнительных ORFs в пределах вирусной мРНК.

Терминация. Процесс завершения трансляции происходит в тот момент, когда 80S рибосома сталкивается в рамке считывания с терминирующим кодоном в пределах последовательности мРНК. Терминирующий кодон является фактором, который запускает процесс гидролиза связи пептидной цепи и тРНК, освобождает синтезированный полипептид от 80S рибосомы и разобщает субъединицы рибосомы. Как только завершение синтеза произошло, 40S субъединица может продолжить сканировать мРНК.

При считывании мультицистронной последовательности завершение трансляции может сопровождаться переинициированием трансляции ниже расположенного гена. Завершение трансляции переинициированием распространено среди вирусов и используется ими, чтобы управлять синтезом определенного генного продукта. После открытия полиаденилирования э-мРНК стало ясно, что поли-A трек играет важную роль в трансляции мРНК в клетках эукариот. Современные исследования показали, что определенную роль в стимулирующей функции поли-A трека на процесс трансляции играет поли-A-связывающий белок (PABP). В клетках животных PABP взаимодействует с элементами кэп-связывающего комплекса, включая в его состав 5’– конец мРНК и создавая, таким образом, трансляционный комплекс в форме «закрытой петли» (рисунок 17).

мРНК связующий EIF4F инициирующий комплекс взаимодействует с 3’– концом мРНК через PABP. Поли-A последовательность в пределах 3’-НТР прямым образом связывает PABP с мРНК. PABP добивается взаимодействия с кэпсвязывающим комплексом непосредственно через eIF4G (4G) или косвенно через взаимодействие eIF4G, eIF4A (4A) и Paip-1. Сборка комплекса замкнутой системы может стабилизировать взаимодействие 40S субъединицы рибосомы с мРНК.

Рисунок 17 – Модель трансляционного комплекса в замкнутой системе с мРНК

PABP формирует закрытую петлю путем связывания eIF4G и белка Paip-1. Paip-1 взаимодействует с компонентами кэп-связывающего комплекса мРНК, включая eIF4G и eIF4A-хеликазу. Изучение инициации трансляции в дрожжах и растениях показали, что взаимодействие между PABP и eIF4G стимулирует трансляцию мРНК. Сближение концов мРНК, обеспеченное закрытым трансляционным комплексом, вносит вклад в стабильность мРНК и 5’-кэп-комплекса и обеспечивает эффективную сборку полирибосом. Таким образом, полный эффект закрытой петли заключается в увеличении эффективности трансляции. Вирусы используют закрытый трансляционный комплекс как средство переключения трансляционного аппарата клетки на трансляцию вирусных мРНК путем разрушения или модификации РАВР.