? ? ? ?今天介紹的是最經(jīng)典的腸病毒——脊髓灰質(zhì)炎病毒(Poliovirus)。

簡介

? ? ? ?脊髓灰質(zhì)炎病毒(Poliovirus)是脊髓灰質(zhì)炎的病原體(也稱為小兒麻痹癥)，是皮可那病毒/微小RNA病毒(Picornavirus)家族中腸病毒C的血清型。

? ? ? ? 脊髓灰質(zhì)炎病毒由RNA基因組和蛋白質(zhì)衣殼組成。 該基因組是一個單正義RNA基因組，長約7500個核苷酸。病毒顆粒的直徑約為30 nm，具有二十面體對稱性，猶如足球。 由于脊髓灰質(zhì)炎病毒的基因組短且組成簡單(僅RNA和包裹其的非包封二十面體蛋白外殼)，脊髓灰質(zhì)炎病毒被廣泛認為是最簡單的重要病毒。

? ? ? ?脊髓灰質(zhì)炎病毒于1909年由Karl Landsteiner和Erwin Popper首次分離出來。1958年，由羅莎琳德·富蘭克林(Rosalind Franklin)領(lǐng)導的伯克貝克學院(Birkbeck College)的一個研究小組使用X射線衍射首次闡明了這種病毒的結(jié)構(gòu)，表明脊髓灰質(zhì)炎病毒具有二十面體對稱性。

? ? ? ? 1981年，脊髓灰質(zhì)炎病毒基因組由兩個不同的研究小組發(fā)布：麻省理工學院的Vincent Racaniello和David Baltimore，石溪大學的Naomi Kitamura和Eckard Wimmer。脊髓灰質(zhì)炎病毒是最典型的病毒之一，并且已成為了解RNA病毒生物學的有用模型系統(tǒng)。

復(fù)制周期

? ? ? ? 脊髓灰質(zhì)炎病毒通過與細胞表面的免疫球蛋白樣受體CD155(也稱為脊髓灰質(zhì)炎病毒受體或PVR)結(jié)合來感染人類細胞。 脊髓灰質(zhì)炎病毒與CD155的相互作用促進了病毒進入所需的病毒顆粒的不可逆構(gòu)象變化。在附著到宿主細胞膜上之后，病毒核酸的進入被認為是以下兩種方式之一：通過在細胞膜上形成孔，然后通過該孔將RNA“注入”到宿主細胞的細胞質(zhì)中，或通過受體介導的內(nèi)吞作用完成入侵。最近的實驗證據(jù)支持后一種假設(shè)，并表明脊髓灰質(zhì)炎病毒與CD155結(jié)合并被胞吞作用所吸收。 顆粒內(nèi)化后，立即釋放病毒RNA。

? ? ? ?脊髓灰質(zhì)炎病毒是一種正義RNA病毒。 因此，包裹在病毒顆粒內(nèi)的基因組可以用作信使RNA，并可以立即被宿主細胞翻譯。 進入時，病毒劫持了細胞的翻譯機制，從而抑制了細胞蛋白質(zhì)的合成，有利于產(chǎn)生病毒特異性蛋白質(zhì)。與宿主細胞的mRNA不同，脊髓灰質(zhì)炎病毒RNA的5'端極長(超過700個核苷酸)且具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。病毒基因組的這一區(qū)域稱為內(nèi)部核糖體進入位點(IRES)。該區(qū)域由許多二級結(jié)構(gòu)和3或4個域組成。? IRES的最重要域是域3(翻譯起始部分)。結(jié)構(gòu)域3是一種自折疊RNA元件，其包含通過兩個四向接頭連接的各種穩(wěn)定莖環(huán)中的保守結(jié)構(gòu)基序。 由于IRES由許多域組成，因此這些域也由許多環(huán)組成，這些環(huán)通過劫持細胞核糖體而貢獻了沒有5'末端帽的修飾翻譯，這與教條式翻譯不是從第一步開始而是從后面的步驟開始一樣。結(jié)構(gòu)域3的相互作用環(huán)是GNRA四環(huán)。GUAA四環(huán)中的腺苷A180和A181殘基分別通過與受體C230/G242和G231/C241的堿基對的非規(guī)范堿基配對相互作用形成氫鍵。該區(qū)域的遺傳突變阻止了病毒蛋白的產(chǎn)生。在脊髓灰質(zhì)炎病毒RNA中發(fā)現(xiàn)了第一個被發(fā)現(xiàn)的IRES。

? ? ? 脊髓灰質(zhì)炎病毒mRNA被翻譯為一種長多肽。 然后，該多肽被內(nèi)部蛋白酶自動切割成約10種單獨的病毒蛋白。 并非所有切割均以相同的效率發(fā)生。 因此，多肽裂解產(chǎn)生的蛋白質(zhì)數(shù)量各不相同。例如，產(chǎn)生的3Dpol量比衣殼蛋白VP1-4少。這些單獨的病毒蛋白是：

? ? ? ?3Dpol，一種RNA依賴性RNA聚合酶，其功能是復(fù)制病毒RNA基因組的多個副本

? ? ? 2Apro和3Cpro/3CDpro，裂解病毒多肽的蛋白酶

? ? ? VPg(3B)，一種結(jié)合病毒RNA的小蛋白，是合成病毒正鏈和負鏈RNA所必需的

? ? ? 2BC，2B，2C(一種ATPase)，3AB，3A，3B蛋白構(gòu)成病毒復(fù)制所需的蛋白復(fù)合物。

? ? ? VP0，進一步切割為病毒衣殼蛋白VP2和VP4，VP1和VP3

? ? ? ??翻譯后，實現(xiàn)涉及單個過程[正義RNA的合成]的轉(zhuǎn)錄和基因組復(fù)制。 為了復(fù)制感染性正義RNA，必須轉(zhuǎn)錄反義RNA的多個副本，然后用作正義RNA合成的模板。 在反義RNA和正義RNA的復(fù)制復(fù)合物中都可以看到復(fù)制中間物(RIs)，該中間物是由模板RNA和數(shù)個不同長度的正在生長的RNA組成的RNA分子的結(jié)合體。 為了合成每個反義和正義RNA，脊髓灰質(zhì)炎病毒中的VPg蛋白充當引物。 脊髓灰質(zhì)炎病毒的RNA依賴性RNA聚合酶利用正義RNA基因組3'末端的polyA尾巴作為模式，在VPg蛋白上添加了兩個尿嘧啶核苷酸(UU)，用于合成反義RNA?。要啟動此反義RNA合成，需要VPg的酪氨酸羥基。但是，為了啟動正義RNA合成，需要CRE依賴的VPg尿酰化。 這意味著VPg再次被用作引物，但是這一次它使用順式作用復(fù)制元件(CRE)作為模板添加了兩個尿苷三磷酸。

? ? ? ?脊髓灰質(zhì)炎病毒的CRE被鑒定為未實現(xiàn)的堿基配對莖和由61nt組成的最終環(huán)。 在腸病毒中發(fā)現(xiàn)了CRE。它是高度保存的二級RNA結(jié)構(gòu)元件，位于基因組的多蛋白編碼區(qū)。 可以將復(fù)合體轉(zhuǎn)移到無編碼活性的基因組的5個區(qū)域，與起始位置至少相距3.7kb?？梢赃M行此過程而不會對活動產(chǎn)生負面影響。CRE副本不會對復(fù)制產(chǎn)生負面影響。 在CRE發(fā)生的VPg的尿?；^程需要3CDpro(一種RNA結(jié)合蛋白)的存在。 它直接且明確地附加到CRE。 由于它的存在，VPg可以正確地結(jié)合CRE，并且初級生產(chǎn)可以順利進行。

? ? ? ? 一些正義RNA分子用作進一步反義RNA合成的模板，一些作為mRNA起作用，而另一些則注定是子代病毒體的基因組。

? ? ? ? 在新病毒顆粒的組裝中(即將子代基因組包裝成可以在宿主細胞外存活的衣殼)，分別包括：

? ? ? ? VP0，VP3和VP1各自有5個拷貝，其N末端和VP4形成衣殼的內(nèi)表面，組裝成“五聚體”，而12個五聚體形成一個衣殼。(衣殼的外表面由VP1，VP2，VP3組成； VP1和VP3的C末端形成圍繞每個頂點的峽谷；大約在這個時候，VP0的60個副本被切割為VP4和VP2。)

? ? ? ? 每個衣殼都獲得病毒基因組的一個副本，VPg仍附著在5'端。

? ? ? ? 完全感染的脊髓灰質(zhì)炎病毒在培養(yǎng)的哺乳動物細胞中開始感染后4至6小時通過裂解而離開其宿主細胞。病毒從細胞中釋放的機制尚不清楚，但每個垂死的細胞最多可以釋放10000個脊髓灰質(zhì)炎病毒顆粒。

? ? ? ? 德雷克證明脊髓灰質(zhì)炎病毒能夠進行多重激活。即當脊髓灰質(zhì)炎病毒用紫外線照射并使其受到宿主細胞的多次感染時，即使在單次感染中使病毒滅活的紫外線劑量下，也可能形成有活力的后代。 當至少兩個病毒基因組存在于同一宿主細胞中時，脊髓灰質(zhì)炎病毒可以進行基因重組。Kirkegaard和Baltimore提供了證據(jù)，證明RNA依賴性RNA聚合酶(RdRP)通過拷貝選擇機制催化重組，其中在反義RNA合成過程中，RdRP在正義RNA模板之間切換。RNA病毒中的重組似乎是修復(fù)基因組損傷的適應(yīng)性機制。

病毒的起源

? ? ? ?脊髓灰質(zhì)炎病毒在結(jié)構(gòu)上類似于其他人類腸道病毒（柯薩奇病毒，?？刹《竞捅遣《荆?，它們也使用免疫球蛋白樣分子識別并進入宿主細胞。對脊髓灰質(zhì)炎病毒RNA和蛋白質(zhì)序列的系統(tǒng)發(fā)育分析表明，它可能是由衣殼內(nèi)部的突變引起的，是由C簇柯薩奇病毒A祖先演化而來。脊髓灰質(zhì)炎病毒的獨特形態(tài)可能是由于細胞受體特異性從C集群柯薩奇病毒A使用的細胞間黏附分子1（ICAM-1）變?yōu)镃D155所致。 導致致病性發(fā)生變化，并使病毒感染神經(jīng)組織。

? ? ? ?即使對于同義替代率為1.0 x 10^-2替代/位點/年，非同義替代率為3.0 x 10^-4替代/位點/年的RNA病毒，病毒中的突變率也相對較高?；蚪M中的堿基分布不是隨機的，腺苷在5'端比預(yù)期的少見，在3'端比預(yù)期的高。 密碼子的使用不是隨機的，優(yōu)選以腺苷結(jié)尾的密碼子，而避免以胞嘧啶或鳥嘌呤結(jié)尾的密碼子。 三種基因型之間的密碼子使用不同，并且似乎是由突變驅(qū)動而不是由選擇驅(qū)動。

? ? ? ? 脊髓灰質(zhì)炎病毒的三種血清型：PV-1、PV-2和PV-3，各自的衣殼蛋白略有不同。 衣殼蛋白定義細胞受體特異性和病毒抗原性。 ?PV-1是自然界中最常見的形式，但是這三種形式都具有極強的傳染性。截至2020年3月，野生PV-1已高度本地化至巴基斯坦和阿富汗地區(qū)。 在上一次于1999年被發(fā)現(xiàn)后，于2015年9月宣布消滅了野生PV-2，而在2012年上一次被發(fā)現(xiàn)后，于2019年宣布了對野生PV-3的消滅。

? ? ? ? 使用每種血清型的特定菌株來制備針對脊髓灰質(zhì)炎的疫苗。 滅活脊髓灰質(zhì)炎疫苗是通過福爾馬林滅活三種野生，有毒力的參考菌株Mahoney或Brunenders（PV-1），MEF-1 / Lansing（PV-2）和Saukett / Leon（PV-3）來制備的。 口服脊髓灰質(zhì)炎疫苗含有三種脊髓灰質(zhì)炎病毒血清型的減毒活毒株。 在猴腎上皮細胞中傳遞病毒株會在病毒IRES中引入突變，并阻礙（或減弱）病毒感染神經(jīng)組織的能力。

? ? ?? 脊髓灰質(zhì)炎病毒以前被歸類為皮可那病毒/微小RNA病毒(Picornavirus)家族中屬于腸病毒屬的獨特物種。 2008年，消除了脊髓灰質(zhì)炎病毒種，并將三種血清型分配給了皮可那病毒/微小RNA病毒腸病毒家族中的人類腸病毒C（后來更名為腸病毒C）種。腸病毒屬的類型種類已從脊髓灰質(zhì)炎病毒更改為（人類）腸病毒C。

病毒的致病性

? ? ? ? 任何病毒感染的主要決定因素是其進入細胞并產(chǎn)生其他感染性顆粒的能力。 人們認為CD155的存在定義了可以被脊髓灰質(zhì)炎病毒感染的動物和組織。CD155僅在人類，高等靈長類動物和舊大陸猴子的細胞上發(fā)現(xiàn)（實驗室之外）。 然而，脊髓灰質(zhì)炎病毒嚴格來說是一種人類病原體，不會自然感染任何其他物種（盡管黑猩猩和舊大陸猴可以通過實驗感染）。???

? ? ? ? CD155基因似乎已經(jīng)過陽性選擇。該蛋白質(zhì)具有多個結(jié)構(gòu)域，其中結(jié)構(gòu)域D1包含脊髓灰質(zhì)炎病毒結(jié)合位點。 在該結(jié)構(gòu)域內(nèi)，有37個氨基酸負責結(jié)合病毒。

? ? ? ? 脊髓灰質(zhì)炎病毒是一種腸病毒。 感染通過糞-口途徑發(fā)生，這意味著一個人攝入了病毒，并且在消化道中發(fā)生了病毒復(fù)制。病毒在受感染個體的糞便中脫落。 在95％的病例中，僅出現(xiàn)短暫的病毒血癥（血液中的病毒）短暫存在，并且脊髓灰質(zhì)炎病毒感染是無癥狀的。 在大約5％的病例中，病毒會在其他部位傳播和復(fù)制，例如棕色脂肪，網(wǎng)狀內(nèi)皮組織和肌肉。 持續(xù)的病毒復(fù)制引起繼發(fā)性病毒血癥，并導致發(fā)燒，頭痛和喉嚨痛等輕微癥狀的發(fā)展。少于1％的脊髓灰質(zhì)炎病毒感染發(fā)生麻痹性脊髓灰質(zhì)炎。 當病毒進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）并在脊髓，腦干或運動皮層內(nèi)的運動神經(jīng)元中復(fù)制時，就會發(fā)生麻痹性疾病，導致運動神經(jīng)元的選擇性破壞導致暫時性或永久性麻痹。 在嬰兒中，這是非常罕見的事件，嬰兒仍然從母親那里獲得抗脊髓灰質(zhì)炎病毒抗體。在極少數(shù)情況下，麻痹性脊髓灰質(zhì)炎會導致呼吸驟停和死亡。 在麻痹性疾病的情況下，在無力和麻痹發(fā)作之前經(jīng)常觀察到肌肉疼痛和痙攣。 癱瘓通常會在恢復(fù)前的幾天到幾周內(nèi)持續(xù)。

? ? ? ? 在許多方面，感染的神經(jīng)系統(tǒng)階段被認為是正常胃腸道感染的偶然轉(zhuǎn)移。對脊髓灰質(zhì)炎病毒進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機制了解甚少。 已經(jīng)提出了三種非互斥的假設(shè)來解釋其進入。 所有理論都要求原發(fā)性病毒血癥。 第一個假設(shè)預(yù)測病毒粒子會通過與CD155無關(guān)的血腦屏障而直接從血液進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。第二種假設(shè)表明，病毒粒子是通過逆行軸突運輸通過神經(jīng)通路從浸在病毒性血液中的外周組織（例如肌肉組織）運輸?shù)郊顾璧摹５谌齻€假設(shè)是該病毒通過受感染的單核細胞或巨噬細胞被導入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

? ? ? ? 脊髓灰質(zhì)炎是中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病。 然而，據(jù)信CD155存在于大多數(shù)或所有人類細胞的表面上。 因此，受體表達不能解釋為什么脊髓灰質(zhì)炎病毒優(yōu)先感染某些組織。 這表明組織嗜性是在細胞感染后確定的。 最近的工作表明，I型干擾素反應(yīng)（特別是干擾素α和β的反應(yīng)）是確定哪些類型的細胞支持脊髓灰質(zhì)炎病毒復(fù)制的重要因素。在表達CD155（通過基因工程）但缺乏I型干擾素受體的小鼠中，脊髓灰質(zhì)炎病毒不僅可以在擴大的組織類型庫中復(fù)制，而且這些小鼠也可以口服感染該病毒。

免疫逃逸

? ? ? ?脊髓灰質(zhì)炎病毒使用兩種關(guān)鍵機制逃避免疫系統(tǒng)。 首先，它能夠在胃的高酸性條件下存活，使病毒感染宿主并通過淋巴系統(tǒng)擴散到全身。其次，由于病毒可以快速復(fù)制，因此在免疫反應(yīng)開始之前，病毒會淹沒宿主器官。如果在附件階段給出了詳細信息； 在病毒體表面帶有峽谷的脊髓灰質(zhì)炎病毒的病毒附著位點位于峽谷底部的口袋中。 峽谷太窄，無法通過抗體進入，因此病毒附著位點受到宿主免疫監(jiān)視的保護，而病毒粒子表面的其余部分可能發(fā)生變異，從而避免了宿主的免疫反應(yīng)。

? ? ? ? 通過感染或脊髓灰質(zhì)炎疫苗免疫暴露于脊髓灰質(zhì)炎病毒的個體會產(chǎn)生免疫力。 在免疫個體中，扁桃體和胃腸道中存在針對脊髓灰質(zhì)炎病毒的抗體（特別是IgA抗體），它們能夠阻斷脊髓灰質(zhì)炎病毒的復(fù)制。 抗脊髓灰質(zhì)炎病毒的IgG和IgM抗體可以阻止病毒傳播到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的運動神經(jīng)元。感染一種血清型的脊髓灰質(zhì)炎病毒不能提供針對另一種血清型的免疫力。 但是，在同一個人內(nèi)進行第二次攻擊極為罕見。

基因工程

? ? ? ?1981年，Racaniello和Baltimore使用重組DNA技術(shù)生成了動物RNA病毒脊髓灰質(zhì)炎病毒的第一個傳染性克隆。 編碼脊髓灰質(zhì)炎病毒RNA基因組的DNA被引入培養(yǎng)的哺乳動物細胞中，并產(chǎn)生了傳染性脊髓灰質(zhì)炎病毒。感染性克隆的創(chuàng)建推動了對脊髓灰質(zhì)炎病毒生物學的了解，并已成為用于研究許多其他病毒的標準技術(shù)。

? ? ? ??2002年，石溪大學的?？ǖ隆ね‥ckard Wimmer）研究小組成功地根據(jù)其化學密碼合成了脊髓灰質(zhì)炎病毒，生產(chǎn)出世界上第一種合成病毒。科學家首先將脊髓灰質(zhì)炎病毒已發(fā)表的7741個堿基長的RNA序列轉(zhuǎn)換為DNA序列，因為DNA易于合成。 該DNA序列的短片段通過郵購獲得并組裝。 然后由基因合成公司組裝完整的病毒基因組。 將十九種標記物摻入到合成的DNA中，以便可以將其與天然脊髓灰質(zhì)炎病毒區(qū)分開。 酶用于將DNA轉(zhuǎn)換回自然狀態(tài)的RNA。 然后使用其他酶將RNA轉(zhuǎn)化為多肽，從而產(chǎn)生功能性病毒顆粒。 整個艱苦的過程耗時兩年。 將新鑄造的合成病毒注射到PVR轉(zhuǎn)基因小鼠中，以確定合成版本是否能夠引起疾病。 合成病毒能夠在小鼠中復(fù)制，感染并引起癱瘓或死亡。 但是，合成版本比原始病毒弱1000到10000倍，這可能是由于添加了一種標記所致。

基因治療

? ? ? ? 脊髓灰質(zhì)炎病毒的一種基因工程體稱為PVSRIPO，已在早期臨床試驗中進行了測試，可以作為一種可能的癌癥治療方法。

? ? ? ??愿世界上沒有脊髓灰質(zhì)炎