Poliovirus
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Poliovirus
Micrografía TEM de viriones de poliovirus. Barra de escala, 50 nm.
Micrografía TEM de viriones de poliovirus . Barra de escala (blanca): 50 nm
Una cápside de poliovirus tipo 3 coloreada por cadenas
Una cápside de poliovirus de tipo 3, cadenas laterales de proteínas coloreadas
Clasificación de virus mi
(no clasificado):Virus
Reino :Riboviria
Reino:Orthornavirae
Filo:Pisuviricota
Clase:Pisoniviricetes
Pedido:Picornavirales
Familia:Picornaviridae
Género:Enterovirus
Especies:
Enterovirus C
Virus:
Poliovirus
Serotipos

El poliovirus , el agente causante de la poliomielitis (también conocido como poliomielitis), es un serotipo de la especie Enterovirus C , de la familia Picornaviridae . [1]

El poliovirus está compuesto por un genoma de ARN y una cápside proteica . El genoma es un genoma de RNA de sentido positivo (+ ssRNA) monocatenario que tiene aproximadamente 7500 nucleótidos de longitud. [2] La partícula viral tiene aproximadamente 30 nm de diámetro con simetría icosaédrica . Debido a su genoma corto y su composición simple —sólo ARN y una cubierta proteica icosaédrica no envuelta que lo encapsula , el poliovirus es ampliamente considerado como el virus significativo más simple. [3]

El poliovirus fue aislado por primera vez en 1909 por Karl Landsteiner y Erwin Popper . [4] La estructura del virus fue aclarada por primera vez en 1958 usando difracción de rayos X por un equipo en Birkbeck College dirigido por Rosalind Franklin , [5] [6] mostrando que el virus de la polio tiene simetría icosaédrica. [7]

En 1981, el genoma del poliovirus fue publicado por dos equipos diferentes de investigadores: Vincent Racaniello y David Baltimore en el MIT [8] y por Naomi Kitamura y Eckard Wimmer en la Universidad de Stony Brook . [9]

La estructura tridimensional de poliovirus se determinó en 1985 por James Hogle en Scripps Research Institute utilizando cristalografía de rayos X . [10]

El poliovirus es uno de los virus mejor caracterizados y se ha convertido en un sistema modelo útil para comprender la biología de los virus de ARN .

Ciclo de replicación

El ciclo de replicación del poliovirus se inicia mediante la unión al receptor de la superficie celular CD155 (1). El virión se capta mediante endocitosis y se libera el ARN viral (2). La traducción del ARN viral se produce mediante un mecanismo mediado por IRES (3). La poliproteína se escinde, produciendo proteínas virales maduras (4). El ARN de sentido positivo sirve como molde para la síntesis complementaria de hebras negativas, produciendo ARN de forma replicativa (RF) bicatenaria (5). Muchas copias de ARN de hebra positiva se producen a partir de la hebra negativa única (6). Las moléculas de ARN de sentido positivo recién sintetizadas pueden servir como plantillas para la traducción de más proteínas virales (7) o pueden encerrarse en una cápside (8), que finalmente genera viriones de progenie. La lisis de la célula infectada da como resultado la liberación de viriones descendientes infecciosos (9). [11]

El poliovirus infecta las células humanas al unirse a un receptor similar a la inmunoglobulina , CD155 (también conocido como receptor de poliovirus o PVR) [12] [13] en la superficie celular. [14] La interacción de poliovirus y CD155 facilita un cambio conformacional irreversible de la partícula viral necesaria para la entrada viral. [15] [16] Después de la unión a la membrana de la célula huésped , se pensó que la entrada del ácido nucleico viral ocurría de dos maneras: a través de la formación de un poro en la membrana plasmática a través del cual el ARN se "inyecta" en el citoplasma de la célula huésped , o mediante la captación de virus por endocitosis mediada por receptores. [17] La evidencia experimental reciente apoya la última hipótesis y sugiere que el poliovirus se une al CD155 y es absorbido por endocitosis. Inmediatamente después de la internalización de la partícula, se libera el ARN viral. [18]

El poliovirus es un virus de ARN de cadena positiva . Por tanto, el genoma encerrado dentro de la partícula viral puede usarse como ARN mensajero y ser traducido inmediatamente por la célula huésped. Al entrar, el virus secuestra la maquinaria de traducción de la célula, provocando la inhibición de la síntesis de proteínas celulares a favor de la producción de proteínas específicas del virus. [19] A diferencia de los ARNm de la célula huésped, el extremo 5 ' del ARN del poliovirus es extremadamente largo (más de 700 nucleótidos) y muy estructurado. Esta región del genoma viral se llama sitio de entrada interno al ribosoma.(IRES). Esta región consta de muchas estructuras secundarias y 3 o 4 dominios. El dominio más importante de IRES es el dominio 3 que (parte de inicio de la traducción). El dominio 3 es un elemento de ARN autoplegable que contiene motivos estructurales conservados en varios bucles de tallo estables unidos por dos uniones de cuatro vías. Como IRES consta de muchos dominios, estos dominios también constan de muchos bucles que contribuyen a la traducción modificada sin el extremo 5 'secuestrando el ribosoma celular, a diferencia de la traducción dogmática que no comenzó desde el primer paso sino a partir de los últimos pasos. El bucle de interacción del dominio 3 es GNRA tetraloop. Los residuos de las adenosinas A180 y A181 en el tetraloop GUAA forman enlaces de hidrógeno a través de interacciones de emparejamiento de bases no canónicas con los pares de bases de los receptores C230 / G242 y G231 / C241, respectivamente. [20]Las mutaciones genéticas en esta región impiden la producción de proteínas virales. [21] [22] [23] El primer IRES que se descubrió se encontró en el ARN del poliovirus. [24]

El ARNm del poliovirus se traduce como un polipéptido largo . Este polipéptido se autoclea luego mediante proteasas internas en aproximadamente 10 proteínas virales individuales. No todas las escisiones ocurren con la misma eficacia. Por lo tanto, las cantidades de proteínas producidas por la escisión del polipéptido varían: por ejemplo, se producen cantidades más pequeñas de pol 3D que las de las proteínas de la cápside, VP1–4. [25] [26] Estas proteínas virales individuales son: [3] [27]

La estructura genómica del poliovirus tipo 1 [11]
  • 3D pol , una ARN polimerasa dependiente de ARN cuya función es realizar múltiples copias del genoma del ARN viral
  • 2A pro y 3C pro / 3CD pro , proteasas que escinden el polipéptido viral
  • VPg (3B), una pequeña proteína que se une al ARN viral y es necesaria para la síntesis de ARN viral positivo y negativo.
  • 2BC, 2B, 2C (una ATPasa) [28] , 3AB, 3A, 3B proteínas que comprenden el complejo proteico necesario para la replicación del virus.
  • VP0, que luego se escinde en VP2 y VP4, VP1 y VP3, proteínas de la cápside viral

Después de la traducción, se realiza la transcripción y la replicación del genoma que implican un solo proceso (síntesis de (+) ARN). Para que se replique el ARN (+) infeccioso, se deben transcribir múltiples copias de ARN (-) y luego usarlas como plantillas para la síntesis de ARN (+). Los intermedios replicativos (RI), que son una asociación de moléculas de ARN que consta de un ARN molde y varios ARN en crecimiento de longitud variable, se ven en los complejos de replicación para (-) ARN y (+) ARN. Para la síntesis de cada ARN de cadena negativa y de cadena positiva, la proteína VPg del poliovirus actúa como cebador. La ARN polimerasa dependiente de ARN del poliovirus agrega dos nucleótidos de uracilo (UU) a la proteína VPg utilizando la cola poli (A) en el extremo 3 'del genoma + ssRNA como patrón, para la síntesis del ARN antigenómico de cadena negativa . Para iniciar esta síntesis de -ssRNA,se necesita el hidroxilo de tirosina de VPg. Pero para el inicio de la síntesis de ARN de cadena positiva, se necesita la uridilación de VPg dependiente de CRE. Lo que significa que VPg se utiliza una vez más como cebador, sin embargo, esta vez agrega los dos trifosfatos de uridina utilizando un elemento de replicación que actúa en cis (CRE) como plantilla.[29] [30]

El CRE del poliovirus se identifica como un tallo de pares de bases no logrado y un bucle final que consta de 61 nt. El CRE se encuentra en enterovirus. Es un elemento estructural de ARN secundario altamente conservado y encajado en la región codificadora de poliproteínas del genoma. El complejo puede trasladarse a la región 5 del genoma que no tiene actividad codificante, al menos a 3,7 kb de distancia de la ubicación inicial. Este proceso puede ocurrir sin influir negativamente en la actividad. Las copias CRE no influyen negativamente en la replicación. El proceso de uridilación de VPg que tiene lugar en CRE necesita la presencia de 3CD pro, que es una proteína de unión al ARN. Está adscrito a la CRE directa y específicamente. Debido a su presencia, VPg puede vincular adecuadamente a la CRE y la producción primaria avanza sin problemas. [31]

Algunas de las moléculas de ARN (+) se utilizan como plantillas para la síntesis de ARN (-) adicional, algunas funcionan como ARNm y algunas están destinadas a ser genomas de viriones descendientes. [25]

En el ensamblaje de nuevas partículas de virus (es decir, el empaquetamiento del genoma de la progenie en una procapsida que puede sobrevivir fuera de la célula huésped), que incluyen, respectivamente: [32]

  • Cinco copias de VP0, VP3 y VP1, cuyos extremos N y VP4 forman la superficie interior de la cápside, se ensamblan en un 'pentámero' y 12 pentámeros forman una procápside. (La superficie exterior de la cápside está formada por VP1, VP2, VP3; los extremos C de VP1 y VP3 forman los cañones que rodean cada uno de los vértices; alrededor de este tiempo, las 60 copias de VP0 se dividen en VP4 y VP2).
  • Cada procapside adquiere una copia del genoma del virus, con VPg todavía unido en el extremo 5 '.

El poliovirus completamente ensamblado abandona los confines de su célula huésped por lisis [33] 4 a 6 horas después del inicio de la infección en células de mamífero cultivadas. [34] El mecanismo de liberación viral de la célula no está claro, [2] pero cada célula moribunda puede liberar hasta 10,000 polio viriones . [34]

Drake demostró que el poliovirus puede experimentar una reactivación múltiple. [35] Es decir, cuando los poliovirus se irradiaron con luz ultravioleta y se les permitió experimentar múltiples infecciones de las células huésped, se pudo formar una progenie viable incluso con dosis de rayos ultravioleta que inactivaron el virus en infecciones únicas. El poliovirus puede experimentar recombinación genética cuando al menos dos genomas virales están presentes en la misma célula huésped. Kirkegaard y Baltimore [36] presentaron pruebas de que la ARN polimerasa dependiente de ARN (RdRP) cataliza la recombinación mediante un mecanismo de elección de copia en el que la RdRP cambia entre (+) ARNsplantillas durante la síntesis de hebras negativas. La recombinación en los virus de ARN parece ser un mecanismo adaptativo para reparar el daño del genoma. [37] [38]

Origen y serotipos

El poliovirus es estructuralmente similar a otros enterovirus humanos ( coxsackievirus , echovirus y rinovirus ), que también usan moléculas similares a las inmunoglobulinas para reconocer e ingresar a las células huésped. [13] El análisis filogenético del ARN y las secuencias de proteínas del poliovirus sugiere que puede haber evolucionado a partir de un antepasado del virus Coxsackie A del grupo C , que surgió a través de una mutación dentro de la cápside. [39] La especiación distinta de poliovirus probablemente ocurrió como resultado de un cambio en la especificidad del receptor celular de la molécula de adhesión intercelular 1 (ICAM-1), utilizada por los virus Coxsackie A del grupo C, paraCD155 ; que conduce a un cambio en la patogenicidad y permite que el virus infecte el tejido nervioso.

La tasa de mutación en el virus es relativamente alta incluso para un virus de ARN con una tasa de sustitución sinónima de 1.0 x 10 -2 sustituciones / sitio / año y una tasa de sustitución no sinónima de 3.0 x 10 -4 sustituciones / sitio / año. [40] La distribución de bases dentro del genoma no es aleatoria, siendo la adenosina menos común de lo esperado en el extremo 5 'y más alta en el extremo 3'. [41] El uso de codones no es aleatorio, se prefieren los codones que terminan en adenosina y se evitan los que terminan en citosina o guanina . El uso de codones difiere entre los tres genotipos y parece estar impulsado por la mutación más que por la selección. [42]

Los tres serotipos de poliovirus, PV-1, PV-2 y PV-3, tienen cada uno una proteína de la cápside ligeramente diferente . Las proteínas de la cápside definen la especificidad del receptor celular y la antigenicidad del virus. PV-1 es la forma más común que se encuentra en la naturaleza, pero las tres formas son extremadamente infecciosas . [4] En marzo de 2020, el PV-1 salvaje está muy localizado en regiones de Pakistán y Afganistán. La PV-2 silvestre se declaró erradicada en septiembre de 2015 después de que se detectó por última vez en 1999, [43] mientras que la PV-3 silvestre se declaró erradicada en 2019 después de que se detectó por última vez en 2012. [44]

Se utilizan cepas específicas de cada serotipo para preparar vacunas contra la poliomielitis . La vacuna antipoliomielítica inactiva se prepara mediante la inactivación con formalina de tres cepas de referencia virulentas y salvajes, Mahoney o Brunenders (PV-1), MEF-1 / Lansing (PV-2) y Saukett / Leon (PV-3). La vacuna oral contra la polio contiene cepas vivas atenuadas (debilitadas) de los tres serotipos de poliovirus. El paso de las cepas del virus en las células epiteliales del riñón de mono introduce mutaciones en el IRES viral y dificulta (o atenúa) la capacidad del virus para infectar el tejido nervioso. [34]

Los poliovirus se clasificaron anteriormente como una especie distinta perteneciente al género Enterovirus en la familia Picornaviridae . En 2008, se eliminó la especie Poliovirus y se asignaron los tres serotipos a la especie Enterovirus humano C (más tarde rebautizado como Enterovirus C ), del género Enterovirus de la familia Picornaviridae . La especie tipo del género Enterovirus se cambió de Poliovirus a Enterovirus C (humano) . [45]

Patogénesis

Artículo principal: Polio
Micrografía electrónica de poliovirus

El principal factor determinante de la infección de cualquier virus es su capacidad para entrar en una célula y producir partículas infecciosas adicionales. Se cree que la presencia de CD155 define los animales y tejidos que pueden infectarse por poliovirus. El CD155 se encuentra (fuera de los laboratorios) solo en las células de humanos, primates superiores y monos del Viejo Mundo . Sin embargo, el poliovirus es estrictamente un patógeno humano y no infecta naturalmente a ninguna otra especie (aunque los chimpancés y los monos del Viejo Mundo pueden infectarse experimentalmente). [46]

El gen CD155 parece haber sido objeto de selección positiva . [47] La proteína tiene varios dominios, de los cuales el dominio D1 contiene el sitio de unión del virus de la polio. Dentro de este dominio, 37 aminoácidos son responsables de unirse al virus.

El poliovirus es un enterovirus . La infección ocurre por vía fecal-oral , lo que significa que uno ingiere el virus y la replicación viral ocurre en el tracto digestivo . [48] ​​El virus se elimina en las heces de las personas infectadas. En el 95% de los casos sólo se produce una presencia primaria y transitoria de viremia (virus en el torrente sanguíneo) y la infección por poliovirus es asintomática . En aproximadamente el 5% de los casos, el virus se propaga y se replica en otros sitios como la grasa parda , el tejido reticuloendotelial y el músculo.. La replicación viral sostenida causa viremia secundaria y conduce al desarrollo de síntomas menores como fiebre, dolor de cabeza y dolor de garganta. [49] La poliomielitis paralítica ocurre en menos del 1% de las infecciones por poliovirus. La enfermedad paralítica ocurre cuando el virus ingresa al sistema nervioso central (SNC) y se replica en las neuronas motoras dentro de la médula espinal , el tronco encefálico o la corteza motora , lo que resulta en la destrucción selectiva de las neuronas motoras que conduce a una parálisis temporal o permanente . Este es un evento muy raro en los bebés, que todavía tienen anti-virus de la polio anticuerpos adquiridos de sus madres. [50]En casos raros, la poliomielitis paralítica provoca un paro respiratorio y la muerte. En los casos de enfermedad paralítica, con frecuencia se observan dolores musculares y espasmos antes de la aparición de debilidad y parálisis. Por lo general, la parálisis persiste desde días hasta semanas antes de la recuperación. [51]

En muchos aspectos, se cree que la fase neurológica de la infección es una desviación accidental de la infección gastrointestinal normal . [17] Los mecanismos por los cuales el poliovirus ingresa al SNC no se conocen bien. Se han sugerido tres hipótesis no mutuamente excluyentes para explicar su entrada. Todas las teorías requieren viremia primaria. La primera hipótesis predice que los viriones pasan directamente de la sangre al sistema nervioso central cruzando la barrera hematoencefálica independientemente de CD155. [52] Una segunda hipótesis sugiere que los viriones se transportan desde tejidos periféricos que han sido bañados en sangre virémica, por ejemplo tejido muscular, a la médula espinal a través de vías nerviosas a través detransporte axonal retrógrado . [53] [54] [55] Una tercera hipótesis es que el virus se importa al SNC a través de monocitos o macrófagos infectados . [11]

La poliomielitis es una enfermedad del sistema nervioso central. Sin embargo, se cree que CD155 está presente en la superficie de la mayoría o de todas las células humanas. Por tanto, la expresión del receptor no explica por qué el poliovirus infecta preferentemente ciertos tejidos. Esto sugiere que el tropismo tisular se determina después de una infección celular. Un trabajo reciente ha sugerido que la respuesta al interferón tipo I (específicamente la del interferón alfa y beta) es un factor importante que define qué tipos de células apoyan la replicación del poliovirus. [56] En ratones que expresan CD155 (mediante ingeniería genética) pero que carecen del receptor de interferón tipo I, el poliovirus no solo se replica en un repertorio ampliado de tipos de tejidos, sino que estos ratones también pueden infectarse por vía oral con el virus.[57]

Evitación del sistema inmunológico

Moléculas de CD155 complejadas con una partícula de poliovirus. Imagen reconstruida de microscopía crioelectrónica.

El poliovirus utiliza dos mecanismos clave para evadir el sistema inmunológico . Primero, es capaz de sobrevivir a las condiciones altamente ácidas del estómago, lo que permite que el virus infecte al huésped y se propague por todo el cuerpo a través del sistema linfático . [3] En segundo lugar, debido a que se puede replicar muy rápidamente, el virus abruma a los órganos del huésped antes de que se pueda montar una respuesta inmune. [58] Si se dan detalles en la fase de vinculación; los poliovirus con cañones en la superficie del virión tienen sitios de unión de virus ubicados en bolsas en las bases de los cañones. Los cañones son demasiado estrechos para el acceso de los anticuerpos., por lo que los sitios de unión del virus están protegidos de la vigilancia inmune del huésped, mientras que el resto de la superficie del virión puede mutar para evitar la respuesta inmune del huésped. [59]

Las personas que están expuestas al poliovirus, ya sea por infección o por inmunización con la vacuna antipoliomielítica , desarrollan inmunidad . En individuos inmunes, los anticuerpos contra el poliovirus están presentes en las amígdalas y el tracto gastrointestinal (específicamente anticuerpos IgA ) y pueden bloquear la replicación del poliovirus; Los anticuerpos IgG e IgM contra el poliovirus pueden prevenir la propagación del virus a las neuronas motoras del sistema nervioso central. [34] La infección por un serotipo de poliovirus no proporciona inmunidad contra los otros serotipos; sin embargo, los segundos ataques dentro del mismo individuo son extremadamente raros.[60]

Ratón transgénico PVR

Aunque los seres humanos son los únicos huéspedes naturales conocidos de poliovirus, los monos pueden infectarse experimentalmente y se han utilizado durante mucho tiempo para estudiar poliovirus. En 1990-1991, dos laboratorios desarrollaron un modelo de poliomielitis en animales pequeños. Los ratones se diseñaron para expresar un receptor humano del poliovirus (hPVR). [61] [62]

A diferencia de los ratones normales, los ratones receptores de poliovirus transgénicos (TgPVR) son susceptibles a los poliovirus inyectados por vía intravenosa o intramuscular , y cuando se inyectan directamente en la médula espinal o el cerebro . [63] Tras la infección, los ratones TgPVR muestran signos de parálisis que se asemejan a los de la poliomielitis en humanos y monos, y el sistema nervioso central de los ratones paralizados es histocitoquímicamente similar al de los humanos y los monos. Este modelo de ratón de infección por poliovirus humano ha demostrado ser una herramienta invaluable para comprender la biología y patogenicidad de poliovirus. [64]

Se han estudiado bien tres tipos distintos de ratones TgPVR: [65]

  • En ratones TgPVR1, el transgén que codifica el PVR humano se incorporó en el cromosoma 4 del ratón . Estos ratones expresan los niveles más altos del transgén y la mayor sensibilidad al poliovirus. Los ratones TgPVR1 son susceptibles al poliovirus a través de las vías intraespinal, intracerebral, intramuscular e intravenosa, pero no a través de la vía oral.
  • Los ratones TgPVR21 han incorporado el PVR humano en el cromosoma 13. Estos ratones son menos susceptibles a la infección por poliovirus a través de la ruta intracerebral, posiblemente porque expresan niveles reducidos de hPVR. Se ha demostrado que los ratones TgPVR21 son susceptibles a la infección por poliovirus a través de la inoculación intranasal y pueden ser útiles como modelo de infección de las mucosas . [66]
  • En los ratones TgPVR5, el transgén humano se encuentra en el cromosoma 12. Estos ratones exhiben los niveles más bajos de expresión de hPVR y son los menos susceptibles a la infección por poliovirus.

Recientemente, se desarrolló un cuarto modelo de ratón TgPVR. Estos ratones "cPVR" portan cDNA de hPVR , impulsado por un promotor de β- actina , y han demostrado ser susceptibles al poliovirus a través de las rutas intracerebral, intramuscular e intranasal. Además, estos ratones son capaces de desarrollar la forma bulbar de la poliomielitis después de la inoculación intranasal. [66]

El desarrollo del ratón TgPVR ha tenido un efecto profundo en la producción de la vacuna oral contra el poliovirus (OPV). Anteriormente, el monitoreo de la seguridad de la OPV tenía que realizarse con monos, porque solo los primates son susceptibles al virus. En 1999, la Organización Mundial de la Salud aprobó el uso del ratón TgPVR como método alternativo para evaluar la eficacia de la vacuna contra el poliovirus tipo 3. En 2000, el modelo de ratón fue aprobado para pruebas de vacunas contra poliovirus tipo 1 y tipo 2. [67]

Clonación y síntesis

Modelo de CD155 que se une al poliovirus (mostrado en violeta)

En 1981, Racaniello y Baltimore utilizaron tecnología de ADN recombinante para generar el primer clon infeccioso de un virus de ARN animal, poliovirus. El ADN que codifica el genoma del ARN del poliovirus se introdujo en células de mamífero cultivadas y se produjo el poliovirus infeccioso. [68] La creación del clon infeccioso impulsó la comprensión de la biología del poliovirus y se ha convertido en una tecnología estándar utilizada para estudiar muchos otros virus.

En 2002, el grupo de Eckard Wimmer en la Universidad de Stony Brook logró sintetizar el poliovirus a partir de su código químico, produciendo el primer virus sintético del mundo. [69] Los científicos primero convirtieron la secuencia de ARN publicada del poliovirus, de 7741 bases de longitud, en una secuencia de ADN, ya que el ADN era más fácil de sintetizar. Se obtuvieron fragmentos cortos de esta secuencia de ADN por pedido por correo y se ensamblaron. El genoma viral completo fue luego ensamblado por una empresa de síntesis de genes . Se incorporaron diecinueve marcadores al ADN sintetizado, de modo que pudiera distinguirse del poliovirus natural. Enzimasse utilizaron para convertir el ADN de nuevo en ARN, su estado natural. Luego se usaron otras enzimas para traducir el ARN en un polipéptido, produciendo una partícula viral funcional. Todo este laborioso proceso duró dos años. El virus sintético recién acuñado se inyectó en ratones transgénicos PVR para determinar si la versión sintética podía causar la enfermedad. El virus sintético pudo replicarse, infectar y causar parálisis o muerte en ratones. Sin embargo, la versión sintética era entre 1.000 y 10.000 veces más débil que el virus original, probablemente debido a uno de los marcadores añadidos. [70]

Modificación de terapias

En los primeros ensayos clínicos se probó una modificación del poliovirus, llamada PVSRIPO , como posible tratamiento para el cáncer. [71] [ necesita actualización ]

Referencias

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