Poliovírus - Poliovirus

Poliovírus
Micrografia TEM de vírions de poliovírus.  Barra de escala, 50 nm.
Micrografia TEM de vírions de poliovírus . Barra de escala (branca): 50 nm
Um capsídeo de poliovírus tipo 3 colorido por cadeias
Um capsídeo de poliovírus tipo 3, cadeias laterais de proteínas coloridas
Classificação de vírus e
(não classificado): Vírus
Reino : Riboviria
Reino: Orthornavirae
Filo: Pisuviricota
Classe: Pisoniviricetes
Pedido: Picornavirales
Família: Picornaviridae
Gênero: Enterovirus
Espécies:
Vírus:
Poliovírus
Serotipos

O poliovírus , agente causador da poliomielite (também conhecido como poliomielite), é um sorotipo da espécie Enterovírus C , da família Picornaviridae .

O poliovírus é composto de um genoma de RNA e um capsídeo de proteína . O genoma é um genoma de RNA de fita simples de sentido positivo (+ ssRNA) com cerca de 7500 nucleotídeos de comprimento. A partícula viral tem cerca de 30 nm de diâmetro com simetria icosaédrica . Por causa de seu genoma curto e sua composição simples - apenas RNA e uma capa protéica icosaédrica sem envelope que o encapsula , o poliovírus é amplamente considerado o vírus significativo mais simples.

O poliovírus foi isolado pela primeira vez em 1909 por Karl Landsteiner e Erwin Popper . A estrutura do vírus foi elucidada pela primeira vez em 1958 usando difração de raios-X por uma equipe do Birkbeck College liderada por Rosalind Franklin , mostrando que o vírus da poliomielite tinha simetria icosaédrica.

Em 1981, o genoma do poliovírus foi publicado por duas equipes diferentes de pesquisadores: por Vincent Racaniello e David Baltimore no MIT e por Naomi Kitamura e Eckard Wimmer na Stony Brook University .

A estrutura tridimensional do poliovírus foi determinada em 1985 por James Hogle no Scripps Research Institute usando cristalografia de raios-X .

O poliovírus é um dos vírus mais bem caracterizados e tornou-se um sistema modelo útil para a compreensão da biologia dos vírus de RNA .

Ciclo de replicação

O ciclo de replicação do poliovírus é iniciado pela ligação ao receptor de superfície celular CD155 (1). O vírion é captado por endocitose e o RNA viral é liberado (2). A tradução do RNA viral ocorre por um mecanismo mediado por IRES (3). A poliproteína é clivada, produzindo proteínas virais maduras (4). O RNA de sentido positivo serve como molde para a síntese de fita negativa complementar, produzindo RNA de forma replicativa (RF) de fita dupla (5). Muitas cópias de RNA de fita positiva são produzidas a partir de uma única fita negativa (6). As moléculas de RNA de sentido positivo recentemente sintetizadas podem servir como modelos para a tradução de mais proteínas virais (7) ou podem ser encerradas em um capsídeo (8), que em última análise gera vírions descendentes. A lise da célula infectada resulta na liberação de vírions descendentes infecciosos (9).

O poliovírus infecta as células humanas ligando-se a um receptor semelhante à imunoglobulina , CD155 (também conhecido como receptor do poliovírus ou PVR) na superfície da célula. A interação do poliovírus e CD155 facilita uma mudança conformacional irreversível da partícula viral necessária para a entrada viral. Após a fixação à membrana da célula hospedeira , pensava-se que a entrada do ácido nucleico viral ocorria de duas maneiras: por meio da formação de um poro na membrana plasmática, através do qual o RNA é então "injetado" no citoplasma da célula hospedeira , ou via absorção do vírus por endocitose mediada por receptor . Evidências experimentais recentes apóiam a última hipótese e sugerem que o poliovírus se liga ao CD155 e é captado por endocitose. Imediatamente após a internalização da partícula, o RNA viral é liberado.

O poliovírus é um vírus de RNA de fita positiva . Assim, o genoma encerrado na partícula viral pode ser usado como RNA mensageiro e imediatamente traduzido pela célula hospedeira. Na entrada, o vírus sequestra a maquinaria de tradução da célula, causando a inibição da síntese de proteína celular em favor da produção de proteína específica do vírus. Ao contrário dos mRNAs da célula hospedeira, a extremidade 5 ' do RNA do poliovírus é extremamente longa - mais de 700 nucleotídeos - e altamente estruturada. Esta região do genoma viral é chamada de sítio interno de entrada do ribossomo (IRES). Esta região consiste em muitas estruturas secundárias e 3 ou 4 domínios. O domínio mais importante do IRES é o domínio 3 que (parte de iniciação da tradução). O Domínio 3 é um elemento de RNA auto-dobrável que contém motivos estruturais conservados em vários laços de haste estáveis ​​ligados por duas junções de quatro vias. Como o IRES consiste em muitos domínios, esses domínios também consistem em muitos loops que contribuem com a tradução modificada sem a extremidade 5 'por sequestro do ribossomo da célula, ao contrário da tradução dogmática não iniciada na primeira etapa, mas iniciada nas etapas posteriores. O loop de interação do domínio 3 é GNRA tetraloop. Os resíduos de adenosinas A180 e A181 no tetraloop GUAA formam ligações de hidrogênio por meio de interações de emparelhamento de bases não canônicas com os pares de bases dos receptores C230 / G242 e G231 / C241, respectivamente. Mutações genéticas nesta região impedem a produção de proteína viral. O primeiro IRES a ser descoberto foi encontrado no RNA do poliovírus.

O mRNA do poliovírus é traduzido como um polipeptídeo longo . Este polipeptídeo é então autoclivado por proteases internas em cerca de 10 proteínas virais individuais. Nem todas as clivagens ocorrem com a mesma eficiência. Portanto, as quantidades de proteínas produzidas pela clivagem do polipeptídeo variam: por exemplo, menores quantidades de pol 3D são produzidas do que aquelas de proteínas do capsídeo, VP1–4. Essas proteínas virais individuais são:

A estrutura genômica do poliovírus tipo 1
  • 3D pol , uma RNA polimerase dependente de RNA, cuja função é fazer várias cópias do genoma de RNA viral
  • 2A pro e 3C pro / 3CD pro , proteases que clivam o polipeptídeo viral
  • VPg (3B), uma pequena proteína que se liga ao RNA viral e é necessária para a síntese de RNA de fita viral positiva e negativa
  • As proteínas 2BC, 2B, 2C (uma ATPase) , 3AB, 3A, 3B que compreendem o complexo proteico necessário para a replicação do vírus.
  • VP0, que é ainda clivado em VP2 e VP4, VP1 e VP3, proteínas do capsídeo viral

Após a tradução, a transcrição e a replicação do genoma que envolvem um único processo (síntese de (+) RNA) são realizadas. Para que o RNA infectante (+) seja replicado, várias cópias do RNA (-) devem ser transcritas e, em seguida, usadas como modelos para a síntese de RNA (+). Intermediários replicativos (RIs), que são uma associação de moléculas de RNA consistindo de um RNA molde e vários RNAs em crescimento de comprimento variável, são vistos em ambos os complexos de replicação para (-) RNAs e (+) RNAs. Para a síntese de cada RNAs de fita negativa e positiva, a proteína VPg no poliovírus funciona como um primer. RNA polimerase dependente de RNA do poliovírus adiciona dois nucleotídeos de uracila (UU) à proteína VPg com a utilização da cauda poli (A) na extremidade 3 'do genoma + ssRNA como um padrão, para a síntese do RNA antigenômico de fita negativa . Para iniciar esta síntese de −ssRNA, a tirosina hidroxila de VPg é necessária. Mas para o início da síntese de RNA de fita positiva, a uridililação de VPg dependente de CRE é necessária. O que significa que VPg é mais uma vez utilizado como um primer, mas desta vez ele adiciona os dois trifosfatos de uridina usando um elemento de replicação de ação cis (CRE) como modelo.

O CRE do poliovírus é identificado como uma haste emparelhada de base não alcançada e uma alça final que consiste em 61 nt. O CRE é encontrado em enterovírus. É um elemento estrutural de RNA secundário altamente preservado e acamado na região de codificação de poliproteína do genoma. O complexo pode ser translocado para a região 5 do genoma que não possui atividade de codificação, a pelo menos 3,7 kb de distância do local inicial. Este processo pode ocorrer sem influenciar negativamente a atividade. As cópias CRE não influenciam negativamente a replicação. O processo de uridililação de VPg que ocorre no CRE necessita da presença de 3CD pro, que é uma proteína de ligação ao RNA. Ele está anexado ao CRE direta e especificamente. Devido à sua presença, o VPg pode ligar o CRE adequadamente e a produção primária prossegue sem problemas.

Algumas das moléculas de RNA (+) são usadas como modelos para a síntese posterior de (-) RNA, algumas funcionam como mRNA e algumas são destinadas a ser os genomas de vírions descendentes.

Na montagem de novas partículas de vírus (ou seja, o empacotamento do genoma da progênie em um procapsídeo que pode sobreviver fora da célula hospedeira), incluindo, respectivamente:

  • Cinco cópias de cada VP0, VP3 e VP1 cujos terminais N e VP4 formam a superfície interna do capsídeo, se reúnem em um 'pentâmero' e 12 pentâmeros formam um procapsídeo. (A superfície externa do capsídeo consiste em VP1, VP2, VP3; terminais C de VP1 e VP3 formam os cânions que ao redor de cada um dos vértices; nessa época, as 60 cópias de VP0 são clivadas em VP4 e VP2.)
  • Cada procapsídeo adquire uma cópia do genoma do vírus, com VPg ainda anexado na extremidade 5 '.

O poliovírus totalmente montado deixa os confins de sua célula hospedeira por lise 4 a 6 horas após o início da infecção em células de cultura de mamíferos. O mecanismo de liberação viral da célula não é claro, mas cada célula moribunda pode liberar até 10.000 vírions da poliomielite .

Drake demonstrou que o poliovírus é capaz de sofrer reativação de multiplicidade. Ou seja, quando os poliovírus são irradiados com luz ultravioleta e podem sofrer múltiplas infecções das células hospedeiras, uma progênie viável pode ser formada mesmo em doses de UV que inativam o vírus em infecções únicas. O poliovírus pode sofrer recombinação genética quando pelo menos dois genomas virais estão presentes na mesma célula hospedeira. Kirkegaard e Baltimore apresentaram evidências de que a RNA polimerase dependente de RNA (RdRP) catalisa a recombinação por um mecanismo de escolha de cópia em que o RdRP alterna entre (+) modelos de ssRNA durante a síntese de fita negativa. A recombinação em vírus de RNA parece ser um mecanismo adaptativo para reparar danos ao genoma.

Origem e sorotipos

O poliovírus é estruturalmente semelhante a outros enterovírus humanos ( coxsackievírus , echovírus e rinovírus ), que também usam moléculas semelhantes à imunoglobulina para reconhecer e entrar nas células hospedeiras. A análise filogenética das sequências de RNA e proteínas do poliovírus sugere que ele pode ter evoluído de um ancestral do vírus Coxsackie A do agrupamento C , que surgiu por meio de uma mutação dentro do capsídeo. A especiação distinta do poliovírus provavelmente ocorreu como resultado de uma mudança na especificidade do receptor celular da molécula de adesão intercelular-1 (ICAM-1), usada pelos vírus Coxsackie A do agrupamento C, para CD155 ; levando a uma mudança na patogenicidade e permitindo que o vírus infecte o tecido nervoso.

A taxa de mutação no vírus é relativamente alta mesmo para um vírus de RNA com uma taxa de substituição sinônima de 1,0 x 10-2 substituições / local / ano e taxa de substituição não sinônima de 3,0 x 10-4 substituições / local / ano. A distribuição de bases no genoma não é aleatória, sendo a adenosina menos comum do que o esperado na extremidade 5 'e maior na extremidade 3'. O uso de códons não é aleatório, com códons que terminam em adenosina sendo favorecidos e aqueles que terminam em citosina ou guanina sendo evitados. O uso de códon difere entre os três genótipos e parece ser conduzido por mutação ao invés de seleção.

Os três sorotipos de poliovírus, PV-1, PV-2 e PV-3, cada um tem uma proteína do capsídeo ligeiramente diferente . As proteínas da cápside definem a especificidade do receptor celular e a antigenicidade do vírus. O PV-1 é a forma mais comum encontrada na natureza, mas todas as três formas são extremamente infecciosas . Em março de 2020, o PV-1 selvagem estava altamente localizado nas regiões do Paquistão e Afeganistão. O PV-2 selvagem foi declarado erradicado em setembro de 2015 após ser detectado pela última vez em 1999, enquanto o PV-3 selvagem foi declarado erradicado em 2019 após a última detecção em 2012.

Cepas específicas de cada sorotipo são usadas para preparar vacinas contra a poliomielite . A vacina inativa da poliomielite é preparada pela inativação com formalina de três cepas de referência virulentas, Mahoney ou Brunenders (PV-1), MEF-1 / Lansing (PV-2) e Saukett / Leon (PV-3). A vacina oral contra a poliomielite contém cepas vivas atenuadas (enfraquecidas) dos três sorotipos do poliovírus. A passagem das cepas de vírus em células epiteliais de rim de macaco introduz mutações no IRES viral e dificulta (ou atenua) a capacidade do vírus de infectar o tecido nervoso.

Os poliovírus foram anteriormente classificados como uma espécie distinta pertencente ao gênero Enterovirus na família Picornaviridae . Em 2008, a espécie Poliovirus foi eliminada e os três sorotipos foram atribuídos à espécie Enterovirus C humano (posteriormente renomeado Enterovirus C ), do gênero Enterovirus da família Picornaviridae . A espécie-tipo do gênero Enterovirus foi alterada de Poliovirus para Enterovirus C (Humano) .

Patogênese

Micrografia eletrônica de poliovírus

O principal determinante da infecção de qualquer vírus é sua capacidade de entrar em uma célula e produzir partículas infecciosas adicionais. Acredita-se que a presença de CD155 defina os animais e tecidos que podem ser infectados pelo poliovírus. O CD155 é encontrado (fora dos laboratórios) apenas nas células de humanos, primatas superiores e macacos do Velho Mundo . O poliovírus é, no entanto, estritamente um patógeno humano e não infecta naturalmente nenhuma outra espécie (embora chimpanzés e macacos do Velho Mundo possam ser infectados experimentalmente).

O gene CD155 parece ter sido sujeito à seleção positiva . A proteína tem vários domínios, dos quais o domínio D1 contém o local de ligação do vírus da poliomielite. Dentro deste domínio, 37 aminoácidos são responsáveis ​​pela ligação do vírus.

O poliovírus é um enterovírus . A infecção ocorre por via fecal-oral , o que significa que se ingere o vírus e a replicação viral ocorre no trato alimentar . O vírus é eliminado nas fezes de indivíduos infectados. Em 95% dos casos , ocorre apenas uma presença primária e transitória de viremia (vírus na corrente sanguínea) e a infecção por poliovírus é assintomática . Em cerca de 5% dos casos, o vírus se espalha e se replica em outros locais, como gordura marrom , tecido reticuloendotelial e músculo . A replicação viral sustentada causa viremia secundária e leva ao desenvolvimento de sintomas menores, como febre, dor de cabeça e dor de garganta. A poliomielite paralítica ocorre em menos de 1% das infecções por poliovírus. A doença paralítica ocorre quando o vírus entra no sistema nervoso central (SNC) e se replica nos neurônios motores da medula espinhal , tronco cerebral ou córtex motor , resultando na destruição seletiva dos neurônios motores levando à paralisia temporária ou permanente . Este é um evento muito raro em bebês, que ainda têm anti-poliovírus anticorpos adquiridos de suas mães. Em casos raros, a poliomielite paralítica causa parada respiratória e morte. Em casos de doença paralítica, dores musculares e espasmos são freqüentemente observados antes do início da fraqueza e paralisia. A paralisia geralmente persiste de dias a semanas antes da recuperação.

Em muitos aspectos, a fase neurológica da infecção é considerada um desvio acidental da infecção gastrointestinal normal . Os mecanismos pelos quais o poliovírus entra no SNC são mal compreendidos. Três hipóteses não mutuamente exclusivas foram sugeridas para explicar sua entrada. Todas as teorias requerem viremia primária. A primeira hipótese prevê que os vírions passam diretamente do sangue para o sistema nervoso central cruzando a barreira hematoencefálica independente do CD155. Uma segunda hipótese sugere que os vírions são transportados de tecidos periféricos que foram banhados no sangue virêmico, por exemplo, tecido muscular, para a medula espinhal através de vias nervosas por meio de transporte axonal retrógrado . Uma terceira hipótese é que o vírus é importado para o SNC por meio de monócitos ou macrófagos infectados .

A poliomielite é uma doença do sistema nervoso central. No entanto, acredita-se que o CD155 esteja presente na superfície da maioria ou de todas as células humanas. Portanto, a expressão do receptor não explica por que o poliovírus infecta preferencialmente certos tecidos. Isso sugere que o tropismo do tecido é determinado após a infecção celular. Trabalhos recentes sugeriram que a resposta do interferon tipo I (especificamente aquela do interferon alfa e beta) é um fator importante que define quais tipos de células suportam a replicação do poliovírus. Em camundongos que expressam CD155 (por meio de engenharia genética), mas sem o receptor de interferon tipo I, o poliovírus não apenas se replica em um repertório expandido de tipos de tecido, mas esses camundongos também podem ser infectados por via oral com o vírus.

Evitação do sistema imunológico

Moléculas CD155 complexadas com uma partícula de poliovírus. Imagem reconstruída de microscopia crioeletrônica.

O poliovírus usa dois mecanismos principais para escapar do sistema imunológico . Primeiro, ele é capaz de sobreviver às condições altamente ácidas do estômago, permitindo que o vírus infecte o hospedeiro e se espalhe por todo o corpo através do sistema linfático . Em segundo lugar, como pode se replicar muito rapidamente, o vírus oprime os órgãos do hospedeiro antes que uma resposta imune possa ser montada. Se o detalhe é dado na fase de anexação; O poliovírus com cânions na superfície do vírion tem locais de fixação do vírus localizados em bolsas nas bases do cânion. Os cânions são estreitos demais para serem acessados ​​por anticorpos , então os locais de fixação do vírus são protegidos da vigilância imunológica do hospedeiro, enquanto o restante da superfície do vírion pode sofrer mutação para evitar a resposta imunológica do hospedeiro.

Indivíduos expostos ao poliovírus, seja por infecção ou por imunização com vacina contra poliomielite , desenvolvem imunidade . Em indivíduos imunes, os anticorpos contra o poliovírus estão presentes nas amígdalas e no trato gastrointestinal (especificamente anticorpos IgA ) e são capazes de bloquear a replicação do poliovírus; Os anticorpos IgG e IgM contra o poliovírus podem prevenir a disseminação do vírus para os neurônios motores do sistema nervoso central. A infecção com um sorotipo de poliovírus não fornece imunidade contra os outros sorotipos; no entanto, segundos ataques dentro do mesmo indivíduo são extremamente raros.

Camundongo transgênico PVR

Embora os humanos sejam os únicos hospedeiros naturais conhecidos do poliovírus, os macacos podem ser infectados experimentalmente e há muito tempo são usados ​​para estudar o poliovírus. Em 1990–91, um pequeno modelo animal de poliomielite foi desenvolvido por dois laboratórios. Os camundongos foram projetados para expressar um receptor humano para o poliovírus (hPVR).

Ao contrário dos camundongos normais, os camundongos receptores de poliovírus transgênicos (TgPVR) são suscetíveis ao poliovírus injetado por via intravenosa ou intramuscular e quando injetado diretamente na medula espinhal ou no cérebro . Após a infecção, os camundongos TgPVR mostram sinais de paralisia que se assemelham aos da poliomielite em humanos e macacos, e o sistema nervoso central de camundongos paralisados ​​são histocitoquimicamente semelhantes aos de humanos e macacos. Este modelo de camundongo de infecção de poliovírus humano provou ser uma ferramenta inestimável na compreensão da biologia e patogenicidade do poliovírus.

Três tipos distintos de camundongos TgPVR foram bem estudados:

  • Em camundongos TgPVR1, o transgene que codifica o PVR humano foi incorporado ao cromossomo 4 do camundongo. Esses camundongos expressam os níveis mais altos do transgene e a maior sensibilidade ao poliovírus. Os camundongos TgPVR1 são suscetíveis ao poliovírus pelas vias intraespinhal, intracerebral, intramuscular e intravenosa, mas não pela via oral.
  • Camundongos TgPVR21 incorporaram o PVR humano no cromossomo 13. Esses camundongos são menos suscetíveis à infecção de poliovírus pela via intracerebral, possivelmente porque expressam níveis diminuídos de hPVR. Camundongos TgPVR21 demonstraram ser suscetíveis à infecção por poliovírus por meio de inoculação intranasal e podem ser úteis como modelo de infecção da mucosa .
  • Em camundongos TgPVR5, o transgene humano está localizado no cromossomo 12. Esses camundongos exibem os níveis mais baixos de expressão de hPVR e são os menos suscetíveis à infecção por poliovírus.

Recentemente, um quarto modelo de mouse TgPVR foi desenvolvido. Esses camundongos "cPVR" carregam cDNA de hPVR , impulsionado por um promotor β- actina , e se mostraram suscetíveis ao poliovírus através das vias intracerebral, intramuscular e intranasal. Além disso, esses camundongos são capazes de desenvolver a forma bulbar da poliomielite após a inoculação intranasal.

O desenvolvimento do camundongo TgPVR teve um efeito profundo na produção da vacina oral de poliovírus (OPV). Anteriormente, o monitoramento da segurança da OPV tinha que ser realizado com macacos, porque apenas primatas são suscetíveis ao vírus. Em 1999, a Organização Mundial da Saúde aprovou o uso do camundongo TgPVR como um método alternativo de avaliação da eficácia da vacina contra o poliovírus tipo 3. Em 2000, o modelo de camundongo foi aprovado para testes de vacinas contra o poliovírus tipo 1 e 2.

Clonagem e síntese

Modelo de CD155 de ligação ao poliovírus (mostrado em roxo)

Em 1981, Racaniello e Baltimore usaram tecnologia de DNA recombinante para gerar o primeiro clone infeccioso de um vírus de RNA animal, o poliovírus. O DNA que codifica o genoma do RNA do poliovírus foi introduzido em células de mamíferos em cultura e o poliovírus infeccioso foi produzido. A criação do clone infeccioso impulsionou a compreensão da biologia do poliovírus e tornou-se uma tecnologia padrão usada para estudar muitos outros vírus.

Em 2002, o grupo de Eckard Wimmer na Stony Brook University conseguiu sintetizar o poliovírus a partir de seu código químico, produzindo o primeiro vírus sintético do mundo. Os cientistas primeiro converteram a sequência de RNA publicada do poliovírus, com 7741 bases de comprimento, em uma sequência de DNA, pois o DNA era mais fácil de sintetizar. Fragmentos curtos desta sequência de DNA foram obtidos por encomenda postal e montados. O genoma viral completo foi então montado por uma empresa de síntese de genes . Dezenove marcadores foram incorporados ao DNA sintetizado, para que pudesse ser diferenciado do poliovírus natural. As enzimas foram usadas para converter o DNA de volta em RNA, seu estado natural. Outras enzimas foram então usadas para traduzir o RNA em um polipeptídeo, produzindo uma partícula viral funcional. Todo esse processo meticuloso levou dois anos. O vírus sintético recém-cunhado foi injetado em camundongos transgênicos PVR, para determinar se a versão sintética era capaz de causar doenças. O vírus sintético foi capaz de se replicar, infectar e causar paralisia ou morte em camundongos. No entanto, a versão sintética era entre 1.000 e 10.000 vezes mais fraca do que o vírus original, provavelmente devido a um dos marcadores adicionados.

Modificação para terapias

Uma modificação do poliovírus, chamada PVSRIPO , foi testada nos primeiros ensaios clínicos como um possível tratamento para o câncer.

Referências

links externos