Ретровирусы

Ретровирусы — это семейство РНК-содержащих вирусов (Retroviridae), отличительной особенностью которых является способность синтезировать ДНК на основе своей РНК-матрицы с помощью фермента обратной транскриптазы. Этот процесс, обратный обычному переносу генетической информации (ДНК → РНК), дал название всему семейству. Синтезированная вирусная ДНК затем встраивается в геном клетки-хозяина в форме провируса, что позволяет вирусу длительно персистировать в организме и реплицироваться при делении клетки. Ретровирусы поражают широкий круг позвоночных, включая человека, и являются возбудителями ряда тяжелых заболеваний, в том числе онкологических и иммунодефицитных состояний.

История открытия

История изучения ретровирусов началась в начале XX века с поиска возбудителей рака. В 1911 году американский вирусолог Пейтон Раус обнаружил, что саркома у кур передается бесклеточным фильтратом, содержащим вирус (вирус саркомы Рауса, RSV). Это был первый идентифицированный ретровирус, однако его значение долгое время оставалось недооцененным из-за отсутствия методов культивирования вирусов и понимания их молекулярной биологии.

В 1950-х годах Людвиг Гросс и другие исследователи выделили вирусы, вызывающие лейкозы у мышей (вирус лейкоза мышей, MLV). В 1960-х годах Говард Темин и Дэвид Балтимор независимо друг от друга открыли фермент обратную транскриптазу, что стало революцией в молекулярной биологии и опровергло «центральную догму» о том, что генетическая информация передается только от ДНК к РНК. За это открытие в 1975 году они были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине.

В 1980-х годах были открыты первые патогенные для человека ретровирусы: Т-лимфотропный вирус человека 1-го типа (HTLV-1), вызывающий Т-клеточный лейкоз, и вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), возбудитель синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД). Открытие ВИЧ в 1983 году (Франсуаза Барр-Синусси и Люк Монтанье) стало крупнейшим событием в медицине XX века и привело к глобальной пандемии, которая продолжается до сих пор.

Строение и геном

Морфология

Ретровирусы имеют сферическую форму диаметром 80–120 нм. Вирион состоит из:

• Липидной оболочки (суперкапсида), происходящей из мембраны клетки-хозяина. В неё встроены вирусные гликопротеины (Env), которые обеспечивают прикрепление к клеточным рецепторам.
• Капсида — белковой оболочки, окружающей геном. Капсид ретровирусов имеет форму усеченного икосаэдра или конуса (у лентивирусов).
• Нуклеокапсида — комплекса РНК с белками, обеспечивающими упаковку и защиту генома.
• Ферментов, находящихся внутри капсида: обратной транскриптазы (RT), интегразы (IN) и протеазы (PR).

Геном

Геном ретровирусов представлен двумя идентичными молекулами одноцепочечной РНК положительной полярности (то есть способной напрямую транслироваться в белок). Длина генома составляет от 7 до 11 тысяч нуклеотидов. Он содержит три основных гена, общих для всех ретровирусов:

• gag (group-specific antigen) — кодирует структурные белки капсида (CA), нуклеокапсида (NC) и матрикса (MA).
• pol (polymerase) — кодирует ферменты обратную транскриптазу, интегразу и протеазу.
• env (envelope) — кодирует гликопротеины оболочки (SU и TM).

Кроме того, сложные ретровирусы (например, ВИЧ, HTLV) содержат дополнительные регуляторные гены (tat, rev, nef, vif, vpr, vpu), которые контролируют экспрессию вирусных генов, уклонение от иммунного ответа и выход вирионов из клетки.

Жизненный цикл

Жизненный цикл ретровируса включает несколько последовательных этапов:

1. Прикрепление и проникновение. Вирусный гликопротеин Env связывается со специфическим рецептором на поверхности клетки-мишени (например, CD4+ и корецепторами CCR5/CXCR4 для ВИЧ). После связывания происходит слияние вирусной оболочки с клеточной мембраной, и капсид высвобождается в цитоплазму.
2. Обратная транскрипция. В цитоплазме вирусная РНК используется обратной транскриптазой в качестве матрицы для синтеза двуцепочечной ДНК. Этот процесс сопровождается разрушением исходной РНК и образованием длинных концевых повторов (LTR) на концах вирусной ДНК.
3. Интеграция. Синтезированная вирусная ДНК (провирус) в комплексе с интегразой и другими белками транспортируется в ядро клетки. Интеграза встраивает провирус в случайный участок хромосомной ДНК хозяина. После интеграции вирусный геном становится частью клеточного генома и передается дочерним клеткам при делении.
4. Транскрипция и трансляция. Клеточная РНК-полимераза II транскрибирует провирусную ДНК, синтезируя вирусные мРНК и полноразмерные геномные РНК. Вирусные мРНК транслируются на рибосомах клетки-хозяина, образуя полипротеины, которые затем разрезаются вирусной протеазой на отдельные функциональные белки.
5. Сборка и отпочковывание. Новые вирусные РНК и белки собираются у клеточной мембраны. Сборка идет с участием белка Gag, который формирует незрелый капсид. Вирион отпочковывается от клетки, захватывая часть её мембраны, которая становится вирусной оболочкой. В процессе отпочковывания или сразу после него вирусная протеаза созревает капсид, делая вирион инфекционным.

Классификация

Семейство Retroviridae делится на два подсемейства: Orthoretrovirinae и Spumaretrovirinae. Внутри Orthoretrovirinae выделяют несколько родов, наиболее важных для медицины и биологии:

• Lentivirus (лентивирусы, от лат. lentus — медленный). Характеризуются длительным инкубационным периодом и способностью инфицировать неделящиеся клетки. Включают ВИЧ-1, ВИЧ-2, вирусы иммунодефицита обезьян (SIV), кошек (FIV) и других животных.
• Deltaretrovirus (дельтаретровирусы). Включают Т-лимфотропные вирусы человека (HTLV-1, HTLV-2), вызывающие лейкозы и лимфомы.
• Alpharetrovirus, Betaretrovirus, Gammaretrovirus — включают онкогенные вирусы птиц и млекопитающих (вирус саркомы Рауса, вирус лейкоза мышей, вирус лейкоза кошек).
• Spumavirus (пенящие вирусы) — непатогенные для человека, вызывают образование синцития и пенящуюся цитоплазму в культуре клеток.

Ретровирусы человека

ВИЧ (Вирус иммунодефицита человека)

ВИЧ является наиболее изученным и клинически значимым ретровирусом человека. Он поражает CD4+ T-лимфоциты, макрофаги и дендритные клетки, приводя к прогрессирующему разрушению иммунной системы. Без лечения ВИЧ-инфекция переходит в стадию СПИДа, характеризующуюся развитием оппортунистических инфекций и злокачественных новообразований. ВИЧ передается через кровь, половым путем и от матери к ребенку. Современная антиретровирусная терапия (АРТ) позволяет контролировать репликацию вируса, восстанавливать иммунитет и предотвращать передачу инфекции, однако полное излечение от ВИЧ на данный момент невозможно.

HTLV (Т-лимфотропный вирус человека)

HTLV-1 эндемичен в некоторых регионах мира (Япония, Карибский бассейн, Центральная Африка, Южная Америка). Он вызывает Т-клеточный лейкоз/лимфому взрослых (ATL) и тропический спастический парапарез (HAM/TSP). HTLV-2 менее патогенен и ассоциирован с некоторыми неврологическими расстройствами. Передача происходит через грудное вскармливание, половым путем и при переливании крови.

Эндогенные ретровирусы

Значительная часть генома позвоночных (около 8% у человека) состоит из последовательностей, происходящих от древних ретровирусов, которые встроились в половые клетки предков и передались по наследству. Эти эндогенные ретровирусы (HERV — human endogenous retroviruses) в большинстве своем утратили способность к репликации из-за мутаций, но некоторые их гены могут экспрессироваться и играть роль в физиологических процессах. Например, белок синцитин, кодируемый геном HERV-W, участвует в формировании плаценты у человека. Эндогенные ретровирусы также связывают с развитием некоторых аутоиммунных заболеваний и рака.

Применение в биотехнологии и медицине

Способность ретровирусов встраивать свой геном в ДНК клетки-хозяина сделала их незаменимым инструментом в генной инженерии. На основе ретровирусов (в первую очередь лентивирусов) созданы векторы для доставки терапевтических генов в клетки. Лентивирусные векторы широко используются в:

• Генотерапии — для лечения наследственных заболеваний (например, тяжелого комбинированного иммунодефицита, гемофилии, серповидноклеточной анемии).
• Разработке CAR-T-клеток — для модификации T-лимфоцитов с целью распознавания и уничтожения раковых клеток.
• Создании трансгенных животных — для изучения функций генов и моделирования заболеваний.

Важным преимуществом лентивирусных векторов является их способность инфицировать как делящиеся, так и неделящиеся клетки, а также обеспечивать длительную экспрессию встроенного гена.

Критика и риски

Использование ретровирусных векторов в генотерапии сопряжено с рядом рисков. Основной из них — инсерционный мутагенез: случайное встраивание провируса в геном может привести к активации онкогена или инактивации гена-супрессора опухолей, что повышает риск развития рака. В ранних клинических испытаниях генотерапии SCID-X1 (тяжелый комбинированный иммунодефицит, сцепленный с X-хромосомой) у нескольких пациентов развился лейкоз из-за встраивания вектора рядом с протоонкогеном LMO2. Современные векторы (например, самоинактивирующиеся, SIN) и использование клеточных энхансеров снижают этот риск, но не устраняют его полностью. Кроме того, существует опасность рекомбинации с эндогенными ретровирусами или активации латентных вирусов.

Источники

1. Coffin J. M., Hughes S. H., Varmus H. E. Retroviruses. — Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1997.
2. Fields B. N., Knipe D. M., Howley P. M. Fields Virology. — 6th ed. — Lippincott Williams & Wilkins, 2013.
3. Temin H. M. Reverse transcription in the eukaryotic genome: retroviruses, pararetroviruses, retrotransposons, and retrotranscripts // Molecular Biology and Evolution. — 1985. — Vol. 2, № 6. — P. 455–468.
4. Baltimore D. RNA-dependent DNA polymerase in virions of RNA tumour viruses // Nature. — 1970. — Vol. 226, № 5252. — P. 1209–1211.
5. Weiss R. A. The discovery of endogenous retroviruses // Retrovirology. — 2006. — Vol. 3, № 1. — P. 67.
6. Hacein-Bey-Abina S. et al. LMO2-associated clonal T cell proliferation in two patients after gene therapy for SCID-X1 // Science. — 2003. — Vol. 302, № 5644. — P. 415–419.
7. UNAIDS. Global HIV & AIDS statistics — Fact sheet, 2023.