cccDNA ( ковалентно замкнутая кольцевая ДНК ) - это особая структура ДНК, которая возникает во время распространения некоторых вирусов в ядре клетки и может оставаться там постоянно. Это двухцепочечная ДНК, которая имеет линейную форму и лигируется с помощью ДНК-лигазы с ковалентно замкнутым кольцом. В большинстве случаев транскрипция вирусной ДНК может происходить только из кольцевой формы. КзкДНК вирусов также известна как эписомальная ДНК или иногда как минихромосома .
кскДНК была впервые описана в бактериофагах , но также была обнаружена в некоторых культурах клеток, где была обнаружена инфекция ДНК-вирусами ( Polyomaviridae ). [1] [2] кзкДНК типична для Caulimoviridae и Hepadnaviridae , включая вирус гепатита B (HBV). кзкДНК в HBV образуется в результате преобразования связанной с капсидом релаксированной кольцевой ДНК (ркДНК). [3] После инфицирования гепатитом B кзкДНК может оставаться после клинического лечения в клетках печени и в редких случаях может реактивироваться. Относительное количество присутствующей кзкДНК является показателем лечения HBV. [4]
Предпосылки создания кзкДНК и вируса гепатита В
Замкнутая ковалентная кольцевая ДНК (кзкДНК) - это уникальная структура ДНК, которая формируется в ответ на инфицирование клетки. Геномная ДНК проникает в ядро клетки, а затем частично двухцепочечная ДНК превращается в кзкДНК.
CccDNA в первую очередь рассматривается в контексте вируса гепатита B (HBV). Примерно 257 миллионов человек во всем мире хронически инфицированы этим вирусом, что подвергает их высокому риску развития цирроза и гепатоцеллюлярной карциномы (ГЦК). [5] Хроническая инфекция характеризуется сохранением минихромосомы кзкДНК в ядрах гепатоцитов хозяина (клетках печени). [6] Текущие методы лечения не могут полностью очистить вирусную минихромосому от гепатоцитов хозяина [7] и, как результат, направлены на «функциональное излечение» хозяина, что требует блокады вирусной кскДНК посредством подавления транскрипции . [5] Инфицированный человек не может быть полностью излечен без удаления кзкДНК из инфицированных гепатоцитов, что в настоящее время невозможно. [8]
Возбудитель HBV представляет собой небольшой вирус, передающийся через кровь, с высокой тканевой и видовой специфичностью, который передается через зараженную кровь или жидкости организма. [6] Единственными клетками, которые может инфицировать вирус, являются гепатоциты, и они попадают в них через кровоток после заражения. [6] Гепатоциты - это клетки ткани печени, которые участвуют в синтезе и хранении белка . Хотя это заболевание можно предотвратить с помощью вакцинации , у лиц из группы высокого риска, таких как младенцы, вероятность хронического заболевания печени может достигать 90%, если не вакцинированы ранее. [9] В результате CDC рекомендует вводить первую дозу вакцины против гепатита B сразу же при рождении. [10] CccDNA и ее постоянство в ядре остаются основным препятствием для эффективного лечения и, следовательно, причиной строгого графика вакцинации против гепатита B. [10]
На практике единственным известным организмом, использующим кзкДНК, является вирус гепатита В. Более конкретно, кзкДНК представляет собой реактивный промежуточный продукт, который в значительной степени способствует инфицированию гепатоцитов. [11] Сохранение кзкДНК на протяжении всей инфекции было ключевым фактором в распространении HBV. [11] Исследования показывают, что кзкДНК на самом деле является основной причиной того, что исторически было мало прогресса в искоренении HBV. [12] Во многих случаях, даже после того, как инфекция была разрешена, кзкДНК все еще может быть обнаружена. [12] В настоящее время терапия HBV включает аналоги нуклеотидов (НА), которые первоначально были внедрены в клиническую практику в конце 1990-х годов. [ необходима цитата ] Хотя многие различные терапевтические методы были опробованы на протяжении многих лет, лекарство от HBV еще не найдено. Исследователи связывают это с продолжающейся неспособностью отключить кзкДНК. [ необходима цитата ] Будущие методы лечения должны будут сосредоточиться непосредственно на устранении этого фактора.
Свойства кзкДНК
CccDNA способна образовывать стабильную минихромосому в ядре клеток, инфицированных определенным вирусом, связанным с cccDNA. [13] Как часть ядра, кзкДНК способна взаимодействовать с гистоновыми и негистоновыми белками с образованием структур, подобных хроматину . [14] Так же, как и хроматин хозяина, транскрипция кзкДНК регулируется посредством контроля двух энхансеров и четырех различных промоторов . Это также зависит от множества регуляторов, включая факторы транскрипции , коактиваторы , ко-репрессоры и ферменты, модифицирующие хроматин . Кроме того, кскДНК может служить в качестве матрицы для вирусной репликации и транскрипции ДНК для пяти вирусных РНК, что позволяет продуцировать вирусные антигены . [13]
Определить количество копий кзкДНК в каждой клетке сложно, поскольку это зависит от типа клетки и типа инфекции. Хотя период полужизни кзкДНК еще не определен, он был протестирован in vitro на то, чтобы длиться в течение всей жизни клетки. [13] В недавнем исследовании вируса гепатита В in vitro результаты показали, что период полураспада клетки печени человека ( HepG2 ) составляет 40 дней, а предполагаемая продолжительность жизни - 58 дней. Период полураспада in vivo клеток печени человека еще не определен. [15]
Роль кскДНК в репликации HBV
CccDNA связана с вирусом гепатита B (HBV), где вирус конструирует свою плазмиду путем ковалентного связывания своих связей. Гистон-содержащая область ядра внутри вируса - это то место, где обычно находится кзкДНК, обычно взаимодействующая с гистонами, аналогичная хроматину . Доступные модели для определения бактериальной специфичности в настоящее время ограничены тремя типами клеточных культур: первичные тупайи или гепатоциты человека (PHH) и дифференцированный HepaRG (dHepaRG). [16] Именно на этих моделях наблюдалась репликация HBV посредством транскрипции кзкДНК. Именно отсутствие моделей предотвращает медикаментозное лечение из-за недостаточной эффективности уничтожения кзкДНК. [17]
HepaRG была первой клеточной линией, которая успешно поддерживала инфекцию HBV, и продемонстрировала, что инфекция может переноситься только гепатоцитами человека . [18] После того, как гепатоцитоподобные клетки подверглись действию индукторов дифференцировки, вирусный источник был введен из известного носителя HBV, содержащего высокие уровни cccDNA, и были проанализированы уровни поверхностного антигена HBV , что указывает на то, что инфекция успешно реплицировалась в клетках HepaRG . [19] Обычно HBV измеряется по уровням cccDNA с помощью кинетики саузерн- блоттинга здоровых и инфицированных клеток и количественно определяется с помощью дот-блоттинга. В этих инфицированных клетках существует сильная корреляция между кзкДНК, которая действует как маркер репликации, и уровнями секреции поверхностного антигена HBsAg. [18]
Биологические функции
КскДНК образуется из ркДНК (расслабленная кольцевая ДНК) путем удаления вирусной полимеразы на 5'-конце отрицательной цепи ДНК, удаления 5'-конца положительной цепи и удаления одной копии короткой терминальное резервирование от минусовой цепи. После этого удаления положительная цепь завершается и происходит лигирование двух цепей вирусной ДНК. [16] Механизм заражения проистекает из преобразования расслабленной кольцевой двухцепочечной ДНК (ркДНК) в кзкДНК из вирусных матриц, предположительно осуществляемой собственными ферментами репарации ДНК клетки. Этот процесс происходит из-за ретротранскрипции транскрипта кзкДНК в геномы ркДНК нормальной клетки. Депротонирование ркДНК затем действует как предшественник кзкДНК посредством полимеразной цепной реакции . [20] [21] В то время как существуют дебаты относительно следующих шагов в механизмах образования и метаболизма кзкДНК, известно, что ингибиторы лигазы играют решающую роль в качестве подтверждения экспериментов с нокаутом. ДНК-лигаза 1 и ДНК-лигаза 3 непосредственно снижают образование кзкДНК, тогда как ДНК-лигаза 4 имеет решающее значение для образования кзкДНК только в двухцепочечной линейной ДНК. [21]
Это преобразование частично двухцепочечной ркДНК в кзкДНК обычно происходит при инфицировании гепатоцита. [22] cccDNA может производить все оборудование, необходимое для завершения репликации вируса и продукции белка, и поэтому не требует использования полуконсервативного механизма репликации ДНК хозяина . [22]
Триггеры и средства контроля производства кзкДНК полностью не известны, но считается, что может существовать система, включающая отрицательную обратную связь, для подавления продукции кзкДНК после создания примерно 10-50 копий. Созданные пулы кзкДНК легко поддерживаются, поэтому нет необходимости в многократном заражении клетки для создания пула кзкДНК. [23] кзкДНК может быть разбавлена и / или потеряна в процессе митоза, но в целом кзкДНК может существовать в течение жизненного цикла гепатоцита, не влияя на его жизнеспособность. Предполагается, что эта пожизненная стойкость кзкДНК объясняет наблюдаемые пожизненные иммунные ответы на HBV. [24]
Считается, что иммуноопосредованные, эпигенетические и вирусные факторы влияют на активность кзкДНК. Изучение механизмов, посредством которых эти различные факторы влияют на активность кзкДНК in vivo, довольно ограничено из-за выбора доступных животных-хозяев. [25] Что касается иммуно-опосредованных факторов, исследования показали, что воспалительные цитокины могут подавлять репликацию вируса и уменьшать пулы кзкДНК в инфицированных клетках. Кроме того, считается, что ацетилирование и деацетилирование кзкДНК регулирует транскрипцию кзкДНК и, следовательно, ее репликацию в вирусах. Было обнаружено, что ацетилирование коррелирует с вирусной репликацией, в то время как деацетилирование коррелирует с низкой вирусной репликацией in vitro. [22] Необходимы дальнейшие исследования для изучения эффектов ацетилирования и деацетилирования на активность кзкДНК in vivo.
Рекомендации
- ^ Mosevitskaia TV, Pavel'chuk EB, Томилин Н. В. (1976). «[Субстрат УФ-индуцированной системы репарации, обеспечивающей W-реактивацию фага лямбда]». Генетика . 12 (8): 131–8. PMID 1001892 .
- ^ Кунисада, Т .; Х. Ямагиши (ноябрь 1984 г.). «Повторение последовательности и геномное распределение малой полидисперсной кольцевой ДНК, очищенной из клеток HeLa». Джин . 31 (1–3): 213–223. DOI : 10.1016 / 0378-1119 (84) 90212-9 . PMID 6098526 .
- ^ Guo H .; Д. Цзян; Т. Чжоу; А. Куконати; TM Block; JT Guo (ноябрь 2007 г.). «Характеристика внутриклеточной депротеинизированной расслабленной кольцевой ДНК вируса гепатита В: промежуточное звено образования ковалентно замкнутой кольцевой ДНК» . J Virol . 81 (22): 12472–12484. DOI : 10,1128 / JVI.01123-07 . PMC 2169032 . PMID 17804499 .
- ^ Bourne, EJ; Dienstag, JL; Лопес, Вирджиния; и другие. (Январь 2007 г.). «Количественный анализ кзкДНК HBV из клинических образцов: корреляция с клиническим и вирусологическим ответом на противовирусную терапию». Журнал вирусных гепатитов . 14 (1): 56–63. DOI : 10.1111 / j.1365-2893.2006.00775.x . PMID 17212645 .
- ^ а б Ся, Юйчэнь; Го, Хайтао (август 2020 г.). "CccDNA вируса гепатита B: формирование, регулирование и терапевтический потенциал" . Противовирусные исследования . 180 : 104824. DOI : 10.1016 / j.antiviral.2020.104824 . PMC 7387223 . PMID 32450266 .
- ^ а б в Аллвейс, Лена; Дандри, Маура (21 июня 2017 г.). «Роль кскДНК в поддержании HBV» . Вирусы . 9 (6): 156. DOI : 10,3390 / v9060156 . PMC 5490831 . PMID 28635668 .
- ^ Китамура, Коити; Que, Lusheng; Симаду, Миюки; Коура, Мики; Исихара, Юки; Вакаэ, Коушо; Накамура, Такаши; Ваташи, Коичи; Вакита, Такадзи; Мурамацу, Масамичи (21 июня 2018 г.). «Эндонуклеаза лоскута 1 участвует в образовании кзкДНК вируса гепатита В» . PLOS Патогены . 14 (6): e1007124. DOI : 10.1371 / journal.ppat.1007124 . PMC 6013022 . PMID 29928064 .
- ^ Донг, Дж; Инь, Дж; Цю, X; Чжан, М. (19 ноября 2017 г.). «Передовые стратегии устранения кзкДНК HBV» . Пищеварительные заболевания и науки . 63 (1): 7–15. DOI : 10.1007 / s10620-017-4842-1 . PMID 29159681 .
- ^ «Информация о гептите В» . Центр контроля заболеваний . Проверено 6 октября 2020 года .
- ^ а б «Рекомендуемый график иммунизации детей и подростков в возрасте 18 лет и младше, США, 2020 г.» . Центр контроля заболеваний . Проверено 6 октября 2020 года .
- ^ а б Верле-Лапостолле, Беттина; Боуден, Скотт; Локарнини, Стивен; Вурстхорн, Карстен; Петерсен, Йорг; Лау, Джордж; Трепо, Кристиан; Марселлин, Патрик; Гудман, Захари; Делани, Уильям Э .; Сюн, Шелли (июнь 2004 г.). «Сохранение cccDNA в течение естественного течения хронического гепатита B и снижение во время терапии адефовиром дипивоксилом» . Гастроэнтерология . 126 (7): 1750–1758. DOI : 10,1053 / j.gastro.2004.03.018 . ISSN 0016-5085 . PMID 15188170 .
- ^ а б Ян, Хун-Чжи; Као, Цзя-Хорнг (сентябрь 2014 г.). «Персистенция ковалентно замкнутой кольцевой ДНК вируса гепатита В в гепатоцитах: молекулярные механизмы и клиническое значение» . Новые микробы и инфекции . 3 (9): e64. DOI : 10.1038 / emi.2014.64 . ISSN 2222-1751 . PMC 4185362 . PMID 26038757 .
- ^ а б в Аллвейс, Лена; Дандри, Маура (21.06.2017). «Роль кскДНК в поддержании HBV» . Вирусы . 9 (6): 156. DOI : 10,3390 / v9060156 . ISSN 1999-4915 . PMC 5490831 . PMID 28635668 .
- ^ Беллони, Лаура; Полличино, Тереза; Никола, Франческа Де; Герриери, Франческа; Раффа, Джузеппина; Фанчулли, Маурицио; Раймондо, Джованни; Левреро, Массимо (24 ноября 2009 г.). «Ядерный HBx связывает минихромосому HBV и изменяет эпигенетическую регуляцию функции cccDNA» . Труды Национальной академии наук . 106 (47): 19975–19979. Bibcode : 2009PNAS..10619975B . DOI : 10.1073 / pnas.0908365106 . ISSN 0027-8424 . PMC 2775998 . PMID 19906987 .
- ^ Lythgoe, Katrina A .; Ламли, Шейла Ф .; Пеллис, Лоренцо; Маккитинг, Джейн А .; Мэтьюз, Филиппа С. (2020). «Оценка персистенции кзкДНК вируса гепатита В при хронической инфекции» . Эволюция вирусов . DOI : 10,1093 / ве / veaa063 .
- ^ а б Люцифора, Джули; Протцер, Ульрике (2016-04-01). «Атакующая cccDNA вируса гепатита B - Святой Грааль для лечения гепатита B» . Журнал гепатологии . Молекулярная биология вируса гепатита В. 64 (1, приложение): S41 – S48. DOI : 10.1016 / j.jhep.2016.02.009 . ISSN 0168-8278 . PMID 27084036 .
- ^ Ли, Фэн; Ченг, Лян; Мерфи, Кристофер М .; Решка-Бланко, Наталья Дж .; Ву, Ясу; Чи, Ликунь; Ху, Цзяньминь; Су, Лишань (07.11.2016). «Миникольцо кскДНК HBV с репортером люциферазы Gaussia для исследования биологии кзкДНК HBV и разработки лекарств, нацеленных на кзкДНК» . Научные отчеты . 6 (1): 36483. Bibcode : 2016NatSR ... 636483L . DOI : 10.1038 / srep36483 . ISSN 2045-2322 . PMC 5098228 . PMID 27819342 .
- ^ а б Грипон, Филипп; Рюмин, Сильви; Урбан, Стефан; Сейек, Жак Ле; Глез, Дениз; Канни, Изабель; Гайомар, Клэр; Лукас, Жозетта; Трепо, Кристиан; Гуген-Гийоузо, Кристиан (26 ноября 2002 г.). «Заражение клеточной линии гепатомы человека вирусом гепатита В» . Труды Национальной академии наук . 99 (24): 15655–15660. Bibcode : 2002PNAS ... 9915655G . DOI : 10.1073 / pnas.232137699 . ISSN 0027-8424 . PMC 137772 . PMID 12432097 .
- ^ Грипон, Филипп; Диот, Кристиан; Гуген-Гийоузо, Кристиан (1 февраля 1993 г.). «Воспроизводимая инфекция высокого уровня культивируемых гепатоцитов взрослого человека вирусом гепатита B: влияние полиэтиленгликоля на адсорбцию и проникновение» . Вирусология . 192 (2): 534–540. DOI : 10.1006 / viro.1993.1069 . ISSN 0042-6822 . PMID 8421898 .
- ^ Го, Хайтао. «Молекулярные механизмы образования кзкДНК HBV» . Грантом . Дата обращения 1 декабря 2020 .
- ^ а б Лонг, Quanxin; Ян, Ран; Ху, Джиели; Цай, Давэй; Митра, Бидиша; Ким, Елена С .; Маркетти, Александр; Чжан, Ху; Ван, Суджуань; Лю, Юаньцзе; Хуанг, Айлонг (декабрь 2017 г.). «Роль лигаз ДНК хозяина в формировании ковалентно замкнутой кольцевой ДНК гепаднавируса» . PLOS Патогены . 13 (12): e1006784. DOI : 10.1371 / journal.ppat.1006784 . ISSN 1553-7374 . PMC 5747486 . PMID 29287110 .
- ^ а б в Левреро, Массимо; Полличино, Тереза; Петерсен, Йорг; Беллони, Лаура; Раймондо, Джованни; Дандри, Маура (2009-09-01). «Контроль функции кзкДНК при вирусной инфекции гепатита В» . Журнал гепатологии . 51 (3): 581–592. DOI : 10.1016 / j.jhep.2009.05.022 . ISSN 0168-8278 . PMID 19616338 .
- ^ Tuttleman, Jan S .; Пурсель, Кристина; Саммерс, Джесси (1986-11-07). «Формирование пула ковалентно замкнутой кольцевой вирусной ДНК в клетках, инфицированных гепаднавирусом» . Cell . 47 (3): 451–460. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (86) 90602-1 . ISSN 0092-8674 . PMID 3768961 .
- ^ Нгуен, Дэвид Х .; Ладгейт, Лори; Ху, Цзяньмин (2008). «Взаимодействие вируса гепатита В с клетками и патогенез» . Журнал клеточной физиологии . 216 (2): 289–294. DOI : 10.1002 / jcp.21416 . ISSN 1097-4652 . PMC 4386630 . PMID 18302164 .
- ^ Дандри, Маура; Lutgehetmann, Марк; Фольц, Тассило; Петерсен, Йорг (май 2006 г.). "Модельные системы мелких животных для изучения репликации и патогенеза вируса гепатита В" . Семинары по болезням печени . 26 (2): 181–191. DOI : 10,1055 / с-2006-939760 . ISSN 0272-8087 . PMID 16673296 .