Общая вирусология с основами таксономии вирусов позвоночных - Коллектив авторов

Вирусное трансляционное программирование . Специализированный природный аппарат синтеза белка высоко сохранен у прокариот и эукариот и охватывает более чем 30 различных генных продуктов, что требует большого размера генома. Таким образом, имеющая место трансляционная зависимость вирусов исключает необходимость кодирования компонентов для автономного вирусного белкового синтеза.

Вирусы эукариот развили эффективные средства эксплуатации их врожденной трансляционной зависимости через механизмы трансляционного программирования. Это процесс, в котором вирусы перестраивают трансляционный аппарат хозяина для обеспечения синтеза вирусных белков и управлять экспрессией продуктов собственных генов. Последнее особенно важно для РНК-содержащих вирусов, которые имеют ограниченный транскрипционный контроль и в основном полагаются на стратегии регуляции трансляции, которые и модулируют выражение вирусных генов.

Трансляционное программирование включает: 1) использование регуляции выше открытой рамки считывания (uORFs); 2) чтение перекрывающихся рамок считывания; 3) трансляцию мультицистронных мРНК; 4) контроль терминации трансляции. Это позволяет вирусам сохранять минимальный размер генома, делая его эффективным в кодирующей способности. Вообще, механизмы трансляционного программирования заложены непосредственно в структуре мРНК вирусов. Структурные элементы в пределах вирусных мРНК, которые затрагивают ее трансляционную эффективность или осуществляют трансляционный контроль, включают: длину и структурную сложность 5’– и 3’– нетранслируемых регионов (НТР), позицию и контекст инициирующего кодона AUG, стабильность и доступность m7G-кэпа и кэп-связывающего комплекса и положение uORF(s) предшествующего гена. Кроме этого, активные элементы нуклеотидной последовательности, которые связывают регуляторные факторы, могут передавать дополнительный уровень трансляционного управления на в-мРНК, облегчая трансляционную селективность. Вирусное трансляционное программирование воздействует на все уровни процесса трансляции, включая инициацию, элонгацию, терминацию и трансляционный контроль сигнальных путей хозяина.

Инициация трансляции. Основной контроль трансляции мРНК в эукариотических клетках происходит в процессе инициирования. Инициирование трансляции является процессом, в котором мРНК собирается в макромолекулярный комплекс с компонентами, требуемыми для синтеза белка, включая эукариотические факторы инициации (eIF) и факторы элонгации (EF). Инициация начинается с закрепления инициатора метионил-тРНК (Met-tRNAi) с 40S субъединицей рибосомы через формирование тройного комплекса eIF2-GTP-Met-tRNAi. В этом случае IF2 вероятнее всего связывается непосредственно с А-участком рибосомы и облегчает закрепление Met-tRNAi с Р-участком рибосомы. IF2 не является регуляторным белком и поэтому не может вносить вклад в регуляцию трансляции мРНК. Напротив, формирование EIF2-зависимого тройного комплекса и его объединение с Met-tRNAi и 40S субъединицей рибосомы может лимитировать скорость инициации, если альфа субъединица eIF2 (eIF2a) фосфорилируется специфическим белком киназой. Таким образом, фосфорилирование eIF2a представляет главную точку контроля над процессом инициации трансляции, так как изменяет эффективность и темп трансляции мРНК. EIF2 направляет тройной комплекс к 40S субъединице рибосомы, чтобы сформировать 43S комплекс прединициирования, который включает еще один фктор – eIF3. еIF3 облегчает закрепление 43S комплекса прединициирования на мРНК через кэпсвязывающий комплекс eIF4F, который независимо собирается вокруг m7G-кэп структуры мРНК.

Сборка eIF4F комплекса на мРНК зависит от eIF4E копонента этого комплекса, который узнает и непосредственно связывает m7G-кэп. Сродство eIF4E к m7Gкэпу является второй главной контрольной точкой в процессе инициации трансляции, которое изменяется через фосфорилирование eIF4E. Кроме этого, кэпсвязывающая активность eIF4E может быть блокирована через формирование комплекса eIF4E-eIF4E-связывающий белок (4E-BP), которое приводит к запрещению кэп-зависимой трансляции.

Формирование eIF4E/4E-BP комплекса регулируется через фосфорилирование 4E-BP и отрицательно воздействует на контроль роста клетки через изменение эффективности и селективности трансляции мРНК. Эти критические для кэпзависимой инициации трансляции точки используются вирусами, которые входят в наиболее изученное семейство пикорнавирусов, включающее вирусы полиомиелита, вирусы энцефаломиокардита, вирус гепатита А и др. Эти вирусы инициируют трансляцию через кэп-независимый механизм, который основан на внутреннем сайте связывания рибосомы (IRES) и опосредован расщеплением 220-kDa кэпсвязывающего белка EIF4 и дефосфорилированием 4E-BPs и u1080 формированием неактивного eIF4E/4E-BP комплекса (рисунок 16). Трансляция, опосредованная IRES, требует специфической последовательности в пределах вирусной РНК, которая взаимодействует с факторами хозяина. Таким образом, глобальный процесс IRES–опосредованной трансляции по существу устраняет соревнование с кэпзависимыми факторами трансляции мРНК клеток, создавая преимущества для трансляции вирусных мРНК.

Рисунок 16 – Ингибирование инициации кэп-зависимой трансляции мРНК клетки-хозяина пикорнавирусами

Рибосомное сканирование и выбор сайта AUG. После ассоциации с мРНК, 43S прединициирующий комплекс начинает сканирование мРНК от 5’-конца или, в случае кеп-независимой трансляции, входного сайта рибосомы, и продолжает сканирование до Met-tRNAi и взаимодействия с инициирующим кодоном AUG. Рибосомное сканирование не всегда совместимо с мРНК, которые обладают длинным и/или структурированным 5’-НТР.

Вирусы обладают механизмами, которые позволяют прединициирующему комплексу эффективно избегать большей части 5’-НТР и начинать сканирование в пределах области инициирующего кодона AUG вирусной мРНК. Первая ассоциация Met-tRNAi с инициирующим кодоном AUG приводит к гидролизу GTP в тройном комплексе, связанные факторы инициирования освобождаются и 60S субъединица рибосомы присоединяется к прединициирующему комплексу. В результате 80S инициирующий комплекс опосредует стадию элонгации трансляции. В этой модели, инициация начинается с 5’-проксимального AUG кодона. Однако выбор кодона AUG для инициации трансляции зависит частично от его контекста, где каноническая accAUGg последовательность проявляет самую высокую активность к инициированию. Отступление от этой последовательности связано с так называемым негерметичным сканированием, в котором прединициирующий комплекс редко признает неканонический или слабый AUG и сканирует мимо, чтобы начать трансляцию с кодона, более соответствующего каноническому инициирующему AUG.

Негерметичное сканирование при инициации трансляции популярно среди вирусов, а у ретровирусов оно может обеспечивать определенные стехиометрические взаимоотношения продуктов трансляции.

Удлинение. В течение стадии элонгации трансляции мРНК связана со многими 80S рибосомами, или полисомами, поскольку аминокислотные остатки последовательно присоединяются к СООН-концу растущей цепи пептидов. Во многих вирусных системах жизненный цикл разграничен на ранние и поздние события, которые могут различаться дифференцированным привлечением вирусных мРНК в полисомные комплексы в определенное время после инфекции. Например, у вируса простого герпеса (HSV-1) это часто совпадает с синтезом факторов латентности и детерминант вирулентности. Процесс трансляции на стадии элонгации подчинен вирусной регуляции. Механизмы контроля элонгации включают, например, рибосомальный сдвиг рамки считывания и направленную вирусом модификацию EF-1. Первый механизм распространен у ретровирусов и связан с наличием дополнительных ORFs в пределах вирусной мРНК.

Терминация. Процесс завершения трансляции происходит в тот момент, когда 80S рибосома сталкивается в рамке считывания с терминирующим кодоном в пределах последовательности мРНК. Терминирующий кодон является фактором, который запускает процесс гидролиза связи пептидной цепи и тРНК, освобождает синтезированный полипептид от 80S рибосомы и разобщает субъединицы рибосомы. Как только завершение синтеза произошло, 40S субъединица может продолжить сканировать мРНК.

При считывании мультицистронной последовательности завершение трансляции может сопровождаться переинициированием трансляции ниже расположенного гена. Завершение трансляции переинициированием распространено среди вирусов и используется ими, чтобы управлять синтезом определенного генного продукта. После открытия полиаденилирования э-мРНК стало ясно, что поли-A трек играет важную роль в трансляции мРНК в клетках эукариот. Современные исследования показали, что определенную роль в стимулирующей функции поли-A трека на процесс трансляции играет поли-A-связывающий белок (PABP). В клетках животных PABP взаимодействует с элементами кэп-связывающего комплекса, включая в его состав 5’– конец мРНК и создавая, таким образом, трансляционный комплекс в форме «закрытой петли» (рисунок 17).