经典的肠病毒——脊髓灰质炎病毒
今天介绍的是最经典的肠病毒——脊髓灰质炎病毒(Poliovirus)。
简介
脊髓灰质炎病毒(Poliovirus)是脊髓灰质炎的病原体(也称为小儿麻痹症)，是皮可那病毒/微小RNA病毒(Picornavirus)家族中肠病毒C的血清型。
脊髓灰质炎病毒由RNA基因组和蛋白质衣壳组成。 该基因组是一个单正义RNA基因组，长约7500个核苷酸。病毒颗粒的直径约为30 nm，具有二十面体对称性，犹如足球。 由于脊髓灰质炎病毒的基因组短且组成简单(仅RNA和包裹其的非包封二十面体蛋白外壳)，脊髓灰质炎病毒被广泛认为是最简单的重要病毒。
脊髓灰质炎病毒于1909年由Karl Landsteiner和Erwin Popper首次分离出来。1958年，由罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)领导的伯克贝克学院(Birkbeck College)的一个研究小组使用X射线衍射首次阐明了这种病毒的结构，表明脊髓灰质炎病毒具有二十面体对称性。
1981年，脊髓灰质炎病毒基因组由两个不同的研究小组发布：麻省理工学院的Vincent Racaniello和David Baltimore，石溪大学的Naomi Kitamura和Eckard Wimmer。脊髓灰质炎病毒是最典型的病毒之一，并且已成为了解RNA病毒生物学的有用模型系统。
复制周期
脊髓灰质炎病毒通过与细胞表面的免疫球蛋白样受体CD155(也称为脊髓灰质炎病毒受体或PVR)结合来感染人类细胞。 脊髓灰质炎病毒与CD155的相互作用促进了病毒进入所需的病毒颗粒的不可逆构象变化。在附着到宿主细胞膜上之后，病毒核酸的进入被认为是以下两种方式之一：通过在细胞膜上形成孔，然后通过该孔将RNA“注入”到宿主细胞的细胞质中，或通过受体介导的内吞作用完成入侵。最近的实验证据支持后一种假设，并表明脊髓灰质炎病毒与CD155结合并被胞吞作用所吸收。 颗粒内化后，立即释放病毒RNA。
脊髓灰质炎病毒是一种正义RNA病毒。 因此，包裹在病毒颗粒内的基因组可以用作信使RNA，并可以立即被宿主细胞翻译。 进入时，病毒劫持了细胞的翻译机制，从而抑制了细胞蛋白质的合成，有利于产生病毒特异性蛋白质。与宿主细胞的mRNA不同，脊髓灰质炎病毒RNA的5'端极长(超过700个核苷酸)且具有复杂的结构。病毒基因组的这一区域称为内部核糖体进入位点(IRES)。该区域由许多二级结构和3或4个域组成。 IRES的最重要域是域3(翻译起始部分)。结构域3是一种自折叠RNA元件，其包含通过两个四向接头连接的各种稳定茎环中的保守结构基序。 由于IRES由许多域组成，因此这些域也由许多环组成，这些环通过劫持细胞核糖体而贡献了没有5'末端帽的修饰翻译，这与教条式翻译不是从第一步开始而是从后面的步骤开始一样。结构域3的相互作用环是GNRA四环。GUAA四环中的腺苷A180和A181残基分别通过与受体C230/G242和G231/C241的碱基对的非规范碱基配对相互作用形成氢键。该区域的遗传突变阻止了病毒蛋白的产生。在脊髓灰质炎病毒RNA中发现了第一个被发现的IRES。
脊髓灰质炎病毒mRNA被翻译为一种长多肽。 然后，该多肽被内部蛋白酶自动切割成约10种单独的病毒蛋白。 并非所有切割均以相同的效率发生。 因此，多肽裂解产生的蛋白质数量各不相同。例如，产生的3Dpol量比衣壳蛋白VP1-4少。这些单独的病毒蛋白是：
3Dpol，一种RNA依赖性RNA聚合酶，其功能是复制病毒RNA基因组的多个副本
2Apro和3Cpro/3CDpro，裂解病毒多肽的蛋白酶
VPg(3B)，一种结合病毒RNA的小蛋白，是合成病毒正链和负链RNA所必需的
2BC，2B，2C(一种ATPase)，3AB，3A，3B蛋白构成病毒复制所需的蛋白复合物。
VP0，进一步切割为病毒衣壳蛋白VP2和VP4，VP1和VP3
翻译后，实现涉及单个过程[正义RNA的合成]的转录和基因组复制。 为了复制感染性正义RNA，必须转录反义RNA的多个副本，然后用作正义RNA合成的模板。 在反义RNA和正义RNA的复制复合物中都可以看到复制中间物(RIs)，该中间物是由模板RNA和数个不同长度的正在生长的RNA组成的RNA分子的结合体。 为了合成每个反义和正义RNA，脊髓灰质炎病毒中的VPg蛋白充当引物。 脊髓灰质炎病毒的RNA依赖性RNA聚合酶利用正义RNA基因组3'末端的polyA尾巴作为模式，在VPg蛋白上添加了两个尿嘧啶核苷酸(UU)，用于合成反义RNA 。要启动此反义RNA合成，需要VPg的酪氨酸羟基。但是，为了启动正义RNA合成，需要CRE依赖的VPg尿酰化。 这意味着VPg再次被用作引物，但是这一次它使用顺式作用复制元件(CRE)作为模板添加了两个尿苷三磷酸。
脊髓灰质炎病毒的CRE被鉴定为未实现的碱基配对茎和由61nt组成的最终环。 在肠病毒中发现了CRE。它是高度保存的二级RNA结构元件，位于基因组的多蛋白编码区。 可以将复合体转移到无编码活性的基因组的5个区域，与起始位置至少相距3.7kb。可以进行此过程而不会对活动产生负面影响。CRE副本不会对复制产生负面影响。 在CRE发生的VPg的尿酰化过程需要3CDpro(一种RNA结合蛋白)的存在。 它直接且明确地附加到CRE。 由于它的存在，VPg可以正确地结合CRE，并且初级生产可以顺利进行。
一些正义RNA分子用作进一步反义RNA合成的模板，一些作为mRNA起作用，而另一些则注定是子代病毒体的基因组。
在新病毒颗粒的组装中(即将子代基因组包装成可以在宿主细胞外存活的衣壳)，分别包括：
VP0，VP3和VP1各自有5个拷贝，其N末端和VP4形成衣壳的内表面，组装成“五聚体”，而12个五聚体形成一个衣壳。(衣壳的外表面由VP1，VP2，VP3组成； VP1和VP3的C末端形成围绕每个顶点的峡谷；大约在这个时候，VP0的60个副本被切割为VP4和VP2。)
每个衣壳都获得病毒基因组的一个副本，VPg仍附着在5'端。
完全感染的脊髓灰质炎病毒在培养的哺乳动物细胞中开始感染后4至6小时通过裂解而离开其宿主细胞。病毒从细胞中释放的机制尚不清楚，但每个垂死的细胞最多可以释放10000个脊髓灰质炎病毒颗粒。
德雷克证明脊髓灰质炎病毒能够进行多重激活。即当脊髓灰质炎病毒用紫外线照射并使其受到宿主细胞的多次感染时，即使在单次感染中使病毒灭活的紫外线剂量下，也可能形成有活力的后代。 当至少两个病毒基因组存在于同一宿主细胞中时，脊髓灰质炎病毒可以进行基因重组。Kirkegaard和Baltimore提供了证据，证明RNA依赖性RNA聚合酶(RdRP)通过拷贝选择机制催化重组，其中在反义RNA合成过程中，RdRP在正义RNA模板之间切换。RNA病毒中的重组似乎是修复基因组损伤的适应性机制。
病毒的起源
脊髓灰质炎病毒在结构上类似于其他人类肠道病毒（柯萨奇病毒，埃可病毒和鼻病毒），它们也使用免疫球蛋白样分子识别并进入宿主细胞。对脊髓灰质炎病毒RNA和蛋白质序列的系统发育分析表明，它可能是由衣壳内部的突变引起的，是由C簇柯萨奇病毒A祖先演化而来。脊髓灰质炎病毒的独特形态可能是由于细胞受体特异性从C集群柯萨奇病毒A使用的细胞间黏附分子1（ICAM-1）变为CD155所致。 导致致病性发生变化，并使病毒感染神经组织。
即使对于同义替代率为1.0 x 10^-2替代/位点/年，非同义替代率为3.0 x 10^-4替代/位点/年的RNA病毒，病毒中的突变率也相对较高。基因组中的碱基分布不是随机的，腺苷在5'端比预期的少见，在3'端比预期的高。 密码子的使用不是随机的，优选以腺苷结尾的密码子，而避免以胞嘧啶或鸟嘌呤结尾的密码子。 三种基因型之间的密码子使用不同，并且似乎是由突变驱动而不是由选择驱动。
脊髓灰质炎病毒的三种血清型：PV-1、PV-2和PV-3，各自的衣壳蛋白略有不同。 衣壳蛋白定义细胞受体特异性和病毒抗原性。 PV-1是自然界中最常见的形式，但是这三种形式都具有极强的传染性。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区。 在上一次于1999年被发现后，于2015年9月宣布消灭了野生PV-2，而在2012年上一次被发现后，于2019年宣布了对野生PV-3的消灭。
使用每种血清型的特定菌株来制备针对脊髓灰质炎的疫苗。 灭活脊髓灰质炎疫苗是通过福尔马林灭活三种野生，有毒力的参考菌株Mahoney或Brunenders（PV-1），MEF-1 / Lansing（PV-2）和Saukett / Leon（PV-3）来制备的。 口服脊髓灰质炎疫苗含有三种脊髓灰质炎病毒血清型的减毒活毒株。 在猴肾上皮细胞中传递病毒株会在病毒IRES中引入突变，并阻碍（或减弱）病毒感染神经组织的能力。
脊髓灰质炎病毒以前被归类为皮可那病毒/微小RNA病毒(Picornavirus)家族中属于肠病毒属的独特物种。 2008年，消除了脊髓灰质炎病毒种，并将三种血清型分配给了皮可那病毒/微小RNA病毒肠病毒家族中的人类肠病毒C（后来更名为肠病毒C）种。肠病毒属的类型种类已从脊髓灰质炎病毒更改为（人类）肠病毒C。
病毒的致病性
任何病毒感染的主要决定因素是其进入细胞并产生其他感染性颗粒的能力。 人们认为CD155的存在定义了可以被脊髓灰质炎病毒感染的动物和组织。CD155仅在人类，高等灵长类动物和旧大陆猴子的细胞上发现（实验室之外）。 然而，脊髓灰质炎病毒严格来说是一种人类病原体，不会自然感染任何其他物种（尽管黑猩猩和旧大陆猴可以通过实验感染）。
CD155基因似乎已经过阳性选择。该蛋白质具有多个结构域，其中结构域D1包含脊髓灰质炎病毒结合位点。 在该结构域内，有37个氨基酸负责结合病毒。
脊髓灰质炎病毒是一种肠病毒。 感染通过粪-口途径发生，这意味着一个人摄入了病毒，并且在消化道中发生了病毒复制。病毒在受感染个体的粪便中脱落。 在95％的病例中，仅出现短暂的病毒血症（血液中的病毒）短暂存在，并且脊髓灰质炎病毒感染是无症状的。 在大约5％的病例中，病毒会在其他部位传播和复制，例如棕色脂肪，网状内皮组织和肌肉。 持续的病毒复制引起继发性病毒血症，并导致发烧，头痛和喉咙痛等轻微症状的发展。少于1％的脊髓灰质炎病毒感染发生麻痹性脊髓灰质炎。 当病毒进入中枢神经系统（CNS）并在脊髓，脑干或运动皮层内的运动神经元中复制时，就会发生麻痹性疾病，导致运动神经元的选择性破坏导致暂时性或永久性麻痹。 在婴儿中，这是非常罕见的事件，婴儿仍然从母亲那里获得抗脊髓灰质炎病毒抗体。在极少数情况下，麻痹性脊髓灰质炎会导致呼吸骤停和死亡。 在麻痹性疾病的情况下，在无力和麻痹发作之前经常观察到肌肉疼痛和痉挛。 瘫痪通常会在恢复前的几天到几周内持续。
在许多方面，感染的神经系统阶段被认为是正常胃肠道感染的偶然转移。对脊髓灰质炎病毒进入中枢神经系统的机制了解甚少。 已经提出了三种非互斥的假设来解释其进入。 所有理论都要求原发性病毒血症。 第一个假设预测病毒粒子会通过与CD155无关的血脑屏障而直接从血液进入中枢神经系统。第二种假设表明，病毒粒子是通过逆行轴突运输通过神经通路从浸在病毒性血液中的外周组织（例如肌肉组织）运输到脊髓的。第三个假设是该病毒通过受感染的单核细胞或巨噬细胞被导入中枢神经系统。
脊髓灰质炎是中枢神经系统疾病。 然而，据信CD155存在于大多数或所有人类细胞的表面上。 因此，受体表达不能解释为什么脊髓灰质炎病毒优先感染某些组织。 这表明组织嗜性是在细胞感染后确定的。 最近的工作表明，I型干扰素反应（特别是干扰素α和β的反应）是确定哪些类型的细胞支持脊髓灰质炎病毒复制的重要因素。在表达CD155（通过基因工程）但缺乏I型干扰素受体的小鼠中，脊髓灰质炎病毒不仅可以在扩大的组织类型库中复制，而且这些小鼠也可以口服感染该病毒。
免疫逃逸
脊髓灰质炎病毒使用两种关键机制逃避免疫系统。 首先，它能够在胃的高酸性条件下存活，使病毒感染宿主并通过淋巴系统扩散到全身。其次，由于病毒可以快速复制，因此在免疫反应开始之前，病毒会淹没宿主器官。如果在附件阶段给出了详细信息； 在病毒体表面带有峡谷的脊髓灰质炎病毒的病毒附着位点位于峡谷底部的口袋中。 峡谷太窄，无法通过抗体进入，因此病毒附着位点受到宿主免疫监视的保护，而病毒粒子表面的其余部分可能发生变异，从而避免了宿主的免疫反应。
通过感染或脊髓灰质炎疫苗免疫暴露于脊髓灰质炎病毒的个体会产生免疫力。 在免疫个体中，扁桃体和胃肠道中存在针对脊髓灰质炎病毒的抗体（特别是IgA抗体），它们能够阻断脊髓灰质炎病毒的复制。 抗脊髓灰质炎病毒的IgG和IgM抗体可以阻止病毒传播到中枢神经系统的运动神经元。感染一种血清型的脊髓灰质炎病毒不能提供针对另一种血清型的免疫力。 但是，在同一个人内进行第二次攻击极为罕见。
基因工程
1981年，Racaniello和Baltimore使用重组DNA技术生成了动物RNA病毒脊髓灰质炎病毒的第一个传染性克隆。 编码脊髓灰质炎病毒RNA基因组的DNA被引入培养的哺乳动物细胞中，并产生了传染性脊髓灰质炎病毒。感染性克隆的创建推动了对脊髓灰质炎病毒生物学的了解，并已成为用于研究许多其他病毒的标准技术。
2002年，石溪大学的埃卡德·威默（Eckard Wimmer）研究小组成功地根据其化学密码合成了脊髓灰质炎病毒，生产出世界上第一种合成病毒。科学家首先将脊髓灰质炎病毒已发表的7741个碱基长的RNA序列转换为DNA序列，因为DNA易于合成。 该DNA序列的短片段通过邮购获得并组装。 然后由基因合成公司组装完整的病毒基因组。 将十九种标记物掺入到合成的DNA中，以便可以将其与天然脊髓灰质炎病毒区分开。 酶用于将DNA转换回自然状态的RNA。 然后使用其他酶将RNA转化为多肽，从而产生功能性病毒颗粒。 整个艰苦的过程耗时两年。 将新铸造的合成病毒注射到PVR转基因小鼠中，以确定合成版本是否能够引起疾病。 合成病毒能够在小鼠中复制，感染并引起瘫痪或死亡。 但是，合成版本比原始病毒弱1000到10000倍，这可能是由于添加了一种标记所致。
基因治疗
脊髓灰质炎病毒的一种基因工程体称为PVSRIPO，已在早期临床试验中进行了测试，可以作为一种可能的癌症治疗方法。
愿世界上没有脊髓灰质炎
