Вирусная трансформация - это изменение роста, фенотипа или неопределенного размножения клеток, вызванное введением наследственного материала. Посредством этого процесса вирус вызывает вредные преобразования клетки или культуры клеток in vivo . Под этим термином также можно понимать трансфекцию ДНК с использованием вирусного вектора .
Вирусная трансформация может происходить как естественным путем, так и с медицинской точки зрения. Естественные преобразования могут включать вирусные виды рака , такие как вирус папилломы человека (ВПЧ) и Т-клеточного типа вируса лейкоза I . Гепатиты B и C также являются результатом естественной вирусной трансформации клеток-хозяев. Вирусная трансформация также может быть индуцирована для использования в лечебных целях.
Клетки, которые были вирусно трансформированы, можно отличить от нетрансформированных клеток с помощью различных наблюдений за ростом, на поверхности и внутри клетки. На рост трансформированных клеток может влиять потеря ограничения роста, вызванная контактом клеток, менее ориентированным ростом и высокой плотностью насыщения . Трансформированные клетки могут потерять свои плотные контакты , увеличить скорость переноса питательных веществ и увеличить секрецию протеаз . Трансформация также может влиять на цитоскелет и изменение количества сигнальных молекул .
Тип
В рамках темы вирусной трансформации можно рассматривать три типа вирусных инфекций. Это цитоцидные, стойкие и трансформирующие инфекции. Цитоцидные инфекции могут вызывать слияние соседних клеток, нарушение транспортных путей, включая ионы и другие клеточные сигналы, нарушение синтеза ДНК , РНК и белка и почти всегда приводит к гибели клеток. Стойкие инфекции связаны с вирусным материалом, который находится в спящем состоянии внутри клетки до тех пор, пока не будет активирован каким-либо стимулом. Этот тип инфекции обычно вызывает несколько явных изменений внутри клетки, но может привести к длительным хроническим заболеваниям. Трансформирующие инфекции также называют злокачественными трансформациями . Эта инфекция приводит к тому, что клетка-хозяин становится злокачественной и может быть либо цитоцидной (обычно в случае РНК-вирусов), либо персистирующей (обычно в случае ДНК-вирусов). Клетки с трансформирующими инфекциями подвергаются иммортализации и наследуют генетический материал для образования опухолей. Поскольку термин «цитоцидный» или «цитолитический» относится к гибели клеток, эти три инфекции не исключают друг друга. Многие трансформирующие инфекции, вызываемые ДНК-опухолевыми вирусами , также являются цитоцидными. [1]
Таблица 1: Влияние вирусных инфекций на клетки [1]
Генетический | Судьба клетки | Морфологический | Биохимический | Физиологический | ||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Цитоцидный |
|
|
| Округление ячейки | Подавляют синтез ДНК, РНК и белка. | Недостаточное движение ионов. | ||||||||||
Настойчивый |
|
|
| Слияние с соседними клетками | Иммунные ответы ограничивают распространение вируса | Редко до стимуляции | ||||||||||
Преобразование |
|
|
| Неограниченная репликация клеток | Инактивирует белки- | Неограниченная репликация клеток |
Цитоцидные инфекции
Цитоцидные инфекции часто связаны с изменениями морфологии, физиологии клеток и, таким образом, важны для полной репликации и трансформации вируса. Цитопатические эффекты часто включают изменение морфологии клетки, такое как слияние с соседними клетками с образованием поликариоцитов, а также синтез ядерных и цитоплазматических телец включения . Физиологические изменения включают недостаточное движение ионов, образование вторичных мессенджеров и активацию клеточных каскадов для продолжения клеточной активности. Биохимически многие вирусы подавляют синтез ДНК, РНК, белков хозяина напрямую или даже мешают взаимодействиям белок-белок, ДНК-белок, РНК-белок на субклеточном уровне. Генотоксичность включает разрыв, фрагментацию или перестройку хромосом хозяина. Наконец, биологические эффекты включают способность вирусов влиять на активность антигенов и иммунологлобулинов в клетке-хозяине. [1]
Существует два типа цитоцидных инфекций: продуктивные и абортивные. При продуктивных инфекциях образуются дополнительные инфекционные вирусы. Абортивные инфекции не вызывают инфекционных вирусов. Одним из примеров продуктивной цитоцидной инфекции является вирус герпеса . [2]
Стойкие инфекции
Существует три типа стойких инфекций: латентные, хронические и медленные, при которых вирус остается внутри клетки-хозяина в течение продолжительных периодов времени. Во время латентных инфекций экспрессия инфицированного вирусного генома минимальна или отсутствует. Геном остается в клетке-хозяине до тех пор, пока вирус не будет готов к репликации. Хронические инфекции имеют такие же клеточные эффекты, как и острые цитоцидные инфекции, но ограниченное количество потомков и вирусов участвует в трансформации. Наконец, медленные инфекции имеют более длительный инкубационный период, в который не могут быть вовлечены физиологические, морфологические или субклеточные изменения. [1]
Трансформирующие инфекции
Трансформационные инфекции ограничиваются абортивными или рестриктивными инфекциями. [1] Это самая широкая категория инфекций, поскольку она может включать как цитоцидные, так и хронические инфекции. Под вирусной трансформацией чаще всего понимается трансформация инфекций, поэтому оставшаяся часть статьи посвящена детализации трансформирующих инфекций.
Процесс
Чтобы клетка трансформировалась вирусом , вирусная ДНК должна быть введена в клетку-хозяин . Самым простым соображением является вирусная трансформация бактериальной клетки. Этот процесс называется лизогенией . Как показано на рисунке 2, бактериофаг приземляется на клетку и прикрепляется к ней. Затем фаг может проникать через клеточную мембрану и вводить вирусную ДНК в клетку-хозяин. Затем вирусная ДНК может либо бездействовать, пока не будет стимулирована таким источником, как ультрафиолетовый свет, либо она может быть немедленно поглощена геномом хозяина . В любом случае вирусная ДНК будет реплицироваться вместе с исходной ДНК хозяина во время репликации клеток, в результате чего две клетки теперь будут инфицированы вирусом. Процесс будет продолжать размножать все больше и больше инфицированных клеток. [3] Этот процесс отличается от литического цикла, когда вирус использует только репликационный аппарат клетки-хозяина для репликации себя перед разрушением клетки-хозяина. [4]
Этот процесс аналогичен в клетках животных. В большинстве случаев, вместо того, чтобы вводить вирусную ДНК в клетку животного, часть мембраны охватывает вирус, а затем клетка поглощает и вирус, и часть оболочки, покрывающую оболочку, в клетку. Этот процесс, называемый эндоцитозом , показан на рисунке 3. [5]
Трансформация клетки-хозяина
Вирусная трансформация нарушает нормальную экспрессию генов клетки-хозяина в пользу экспрессии ограниченного числа вирусных генов. Вирус также может нарушать связь между клетками и вызывать ускоренное деление клеток. [6]
Физиологический
Вирусная трансформация может придавать клетке характерно определяемые особенности. Типичные фенотипические изменения включают высокую плотность насыщения, рост, независимый от закрепления, потерю контактного торможения, потерю ориентированного роста, иммортализацию , нарушение цитоскелета клетки .
Биохимический
Вирусные гены экспрессируются с помощью репликационного аппарата клетки-хозяина; следовательно, многие вирусные гены имеют промоторы, которые поддерживают связывание многих факторов транскрипции, встречающихся в природе в клетках-хозяевах. Эти факторы транскрипции вместе с собственными белками вируса могут репрессировать или активировать гены как вируса, так и генома клетки-хозяина. Многие вирусы также могут увеличивать производство регуляторных белков клетки. [1]
Генетический
В зависимости от вируса в клетке-хозяине могут происходить различные генетические изменения. В случае вируса литического цикла клетка выживет только достаточно долго, чтобы репликационный аппарат использовался для создания дополнительных вирусных единиц. В других случаях вирусная ДНК будет сохраняться в клетке-хозяине и реплицироваться по мере репликации клетки. Эта вирусная ДНК может быть либо включена в генетический материал клетки-хозяина, либо сохраняться как отдельный генетический вектор. В любом случае это может привести к повреждению хромосом клетки-хозяина . Не исключено, что повреждение удастся отремонтировать; однако наиболее частым результатом является нестабильность исходного генетического материала или подавление или изменение экспрессии гена. [1]
Анализы
Анализ является аналитическим инструментом , часто используется в лабораторных условиях, чтобы оценить или измерить некоторые качества целевого объекта. [7] В вирусологии анализы могут использоваться для дифференциации трансформированных и нетрансформированных клеток. Варьируя используемый анализ, изменяет селективное давление на клетки и, следовательно, может изменять свойства, выбранные в трансформированных клетках. [6]
Три общих анализы , используемые являются фокус формирования анализа , то Анкоридж независимого роста анализ, а также пониженным анализ сыворотки .
Анализ формирования фокуса (FFA) используется для выращивания клеток, содержащих трансформирующий онкоген, на монослое нетрансформированных клеток. Трансформированные клетки будут образовывать приподнятые плотные пятна на образце по мере роста без контактного торможения. [8] Этот анализ очень чувствителен по сравнению с другими анализами, используемыми для вирусного анализа, такими как анализ снижения урожайности . [9]
Примером независимого от анкориджа анализа роста является анализ мягкого агара. Анализ оценивает способность клеток расти в геле или вязкой жидкости. Трансформированные клетки могут расти в этой среде и считаются независимыми от закрепления. Клетки, которые могут расти только при прикреплении к твердой поверхности, являются нетрансформированными клетками, зависящими от закрепления. Этот тест считается одним из самых строгих для выявления злокачественной трансформации [10]
В анализе с пониженным содержанием сыворотки клетки анализируют, используя изменения в потребности клеток в сыворотке. Нетрансформированным клеткам для роста требуется по крайней мере 5% сывороточная среда; однако трансформированные клетки могут расти в среде со значительно меньшим содержанием сыворотки. [6]
Примеры естественной трансформации
Естественная трансформация - это вирусная трансформация клеток без вмешательства медицины. Это наиболее часто рассматривается форма вирусного преобразования и включает в себя множество видов рака и заболеваний, таких как ВИЧ , гепатит В и Т-клеточного типа вируса лейкоза I .
Вирусный онкогенез
До 20% опухолей человека вызываются вирусами. [11] Некоторые такие вирусы, которые обычно включают в себя признанные ВПЧ , Т-клеточный лейкоз вирус типа I , а также гепатит B .
Вирусный онкогенез чаще всего встречается с опухолевыми вирусами ДНК и РНК, чаще всего с ретровирусами. [12] Существует два типа онкогенных ретровирусов : острые трансформирующие вирусы и неострые трансформирующие вирусы. Острые трансформирующие вирусы вызывают быстрый рост опухоли, поскольку они несут вирусные онкогены в своей ДНК / РНК, чтобы вызвать такой рост. Примером вируса острой трансформации является вирус саркомы Рауса (RSV), несущий онкоген v-src. v-Src является частью c-src, клеточного протоонкогена, который стимулирует быстрый рост и размножение клеток. С другой стороны, неострый трансформирующий вирус вызывает медленный рост опухоли, поскольку он не несет вирусных онкогенов. Он индуцирует рост опухоли путем транскрипционной активации протоонкогенов, особенно длинного концевого повтора (LTR) в протоонкогенах. [12]
Вирусный онкогенез посредством трансформации может происходить с помощью 2 механизмов: [1]
- Опухолевый вирус может вводить и экспрессировать «трансформирующий» ген либо путем интеграции ДНК, либо РНК в геном хозяина.
- Опухолевый вирус может изменять экспрессию ранее существовавших генов хозяина.
Один или оба этих механизма могут происходить в одной и той же клетке-хозяине.
Гепатит Б
Гепатита B вирусный белок Х , как полагают, вызывает гепатоцеллюлярной карциномы через трансформацию, как правило , из клеток печени. Вирусная ДНК включается в геном клетки-хозяина, вызывая быструю репликацию клеток и рост опухоли. [13]
Папилломавирусы
Папилломавирусы обычно поражают эпителиальные клетки и вызывают все, от бородавок до рака шейки матки. Когда вирус папилломы человека (ВПЧ) трансформирует клетку, он нарушает функцию клеточных белков, разрушая при этом другие клеточные белки. [14]
Герпесвирусы
В герпесвирусы , саркома Капоши -associated вирус герпеса и вирус Эпштейна-Барра , как полагают, вызывают рак у людей, таких как саркома Капоши, лимфомы Беркитта и рака носоглотки . Хотя в этих вирусах были идентифицированы гены, вызывающие трансформацию, способ, которым вирус трансформирует и реплицирует клетку-хозяина, не изучен. [14]
Ретровирусы
Ретровирусы включают вирус Т-клеточной лейкемии типа I , ВИЧ и вирус саркомы Рауса (RSV). Налог вирусных генов выражается, когда вирус Т-клеточной лейкемии трансформирует клетку, изменяя экспрессию генов, контролирующих рост клеток, и заставляя трансформированные клетки становиться злокачественными. ВИЧ работает по-другому, не заставляя клетки напрямую становиться злокачественными, а вместо этого делая инфицированных более восприимчивыми к лимфоме и саркоме Капоши . Многие другие ретровирусы содержат три гена, gag , pol и env , которые напрямую не вызывают трансформацию или образование опухоли. [14]
ВИЧ
Вирус иммунодефицита человека - это вирусная инфекция, поражающая лимфатические узлы . ВИЧ связывается с иммунной клеткой CD4, а обратная транскриптаза изменяет геном клетки-хозяина, обеспечивая интеграцию вирусной ДНК через интегразу . Вирус реплицируется с помощью механизмов клетки-хозяина, а затем покидает клетку, чтобы заразить дополнительные клетки через почкование . [15]
Медицинские приложения
Существует множество приложений, в которых вирусная трансформация может быть искусственно индуцирована в культуре клеток для лечения болезни или другого состояния. Культура клеток инфицирована вирусом, вызывающим трансформацию; затем трансформированные клетки можно использовать либо для лечения, либо непосредственно вводить в организм.
Персонализированные интерфероны I типа
Интерфероны типа I (IFN) используются для лечения широкого спектра заболеваний, включая гепатит C , рак, вирусные и воспалительные заболевания. IFN могут быть извлечены из природного источника, такого как культивируемые клетки человека или лейкоциты крови , или они могут быть получены с использованием технологий рекомбинантной ДНК . Большинство из этих методов лечения IFN имеют низкий уровень ответа. [16]
Для создания персонализированных интерферонов рекомендовано использование вирусной трансформации вируса Эпштейна-Барра (EBV). В этом процессе первичные В-лимфоциты трансформируются EBV. Эти клетки затем можно использовать для производства IFN, специфичных для пациента, из которого были извлечены B-лимфоциты . Такая персонализация снижает вероятность ответа антител и, следовательно, увеличивает эффективность лечения. [16]
Лечение рака
Когда вирус трансформирует клетку, он часто вызывает рак, либо изменяя существующий геном клетки, либо вводя дополнительный генетический материал, который вызывает неконтролируемую репликацию клеток. [11] Редко считается, что то, что причиняет столько вреда, также способно обратить процесс вспять и замедлить рост рака или даже привести к ремиссии. Вирусы трансформируют клетки-хозяева, чтобы выжить и размножаться; однако иммунные ответы клетки-хозяина обычно нарушаются во время трансформации, что делает трансформированные клетки более восприимчивыми к другим вирусам. [17]
Идея использования вирусов для лечения рака была впервые представлена в 1951 году, когда четырехлетний мальчик внезапно вошел в временную ремиссию от лейкемии, когда у него была ветряная оспа . Это привело к исследованиям в 1990-х годах, когда ученые работали над созданием штамма вируса простого герпеса, достаточно сильного, чтобы инфицировать и трансформировать опухолевые клетки, но достаточно слабого, чтобы не повредить здоровые клетки. Лечение пациентов с вирусной трансформацией дает возможность лечить пациентов более безопасно и эффективно, чем при использовании традиционных методов, таких как химиотерапия . Вирусы, используемые при лечении рака, набирают силу и повышают свою эффективность по мере размножения в организме, вызывая лишь незначительные побочные эффекты, такие как тошнота , усталость и боли. [17]
Смотрите также
- Трансдукция
- Трансфекция
- Трансгенез
Рекомендации
- ^ a b c d e f g h Барон, изд. Самуэля (1996). «Воздействие на клетки». Медицинская микробиология (4-е изд.). Галвестон, Техас: Univ. Техасского медицинского отделения. ISBN 0963117211.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
- ^ Хуанг, CR; Лин, СС; Чоу, МОЙ; Хо, СС; Ванга, Л; Ли, Ю.Л .; Чен, CS; Ян, CC (2005). «Демонстрация различных способов гибели клеток при инфицировании вирусом простого герпеса 1 в различных типах клеток полости рта». Acta Virologica . 49 (1): 7–15. PMID 15929393 .
- ^ «Лизогения» . Британская энциклопедия . Проверено 8 апреля 2014 года .
- ^ «Два жизненных цикла вируса» . Проверено 8 апреля 2014 года .
- ^ «Цикл заражения» . Британская энциклопедия . Проверено 8 апреля 2014 года .
- ^ а б в Хифи, Шон. «Вирусная трансформация клеток» . Кейптаунский университет . Проверено 25 марта 2014 года .
- ^ Анализ . Википедия, Бесплатная энциклопедия . Проверено 25 марта 2014 г.
- ^ Эндрюс, Дэвид. «Анализы трансформации: анализ формирования фокуса» (PDF) . Andrews Lab . Проверено 25 марта 2014 года .
- ^ Уиншип, Тимоти Р. (11 декабря 1979 г.). "Чувствительный метод количественной оценки мешающих частиц, вызывающих дефект вируса везикулярного стоматита: анализ формирования фокуса" (PDF) . Журнал общей вирусологии . 48 (1): 237–240. DOI : 10.1099 / 0022-1317-48-1-237 . PMID 6247438 . Проверено 25 марта 2014 года .
- ^ Провост, Джозеф. «Анализ мягкого агара для формирования культур» (PDF) . Wallert and Provost Lab . Проверено 25 марта 2014 года .
- ^ а б Даярам, Т; Marriott, SJ (август 2008 г.). «Влияние трансформирующих вирусов на молекулярные механизмы, связанные с раком» . Журнал клеточной физиологии . 216 (2): 309–14. DOI : 10.1002 / jcp.21439 . PMC 4160108 . PMID 18366075 .
- ^ а б Фан, Хунг (15 июня 2011 г.). «Трансформация клеток с помощью РНК-вирусов: обзор» . Вирусы . 3 (12): 858–860. DOI : 10,3390 / v3060858 . PMC 3185770 . PMID 21994757 .
- ^ Шефер, S; Герлих, WH (1995). «Трансформация in vitro ДНК вируса гепатита В». Интервирология . 38 (3–4): 143–54. DOI : 10.1159 / 000150425 . PMID 8682609 .
- ^ а б в Купер, Джеффри М. (2000). Клетка: молекулярный подход (2-е изд.). Вашингтон: ASM Press. ISBN 0878931023.
- ^ «Жизненный цикл ВИЧ» . Министерство здравоохранения и социальных служб США . Проверено 7 мая 2014 .
- ^ а б Сюй, Дуншэн; Чжан, Лювэнь (июнь 2010 г.). «Вирусная трансформация для производства персонализированных интерферонов I типа» . Биотехнологический журнал . 5 (6): 578–581. DOI : 10.1002 / biot.201000038 . PMC 3023146 . PMID 20518060 .
- ^ а б Нувер, Рэйчел (19 марта 2012 г.). «Вирусы, завербованные как убийцы опухолей» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 6 мая 2014 .