Zpřístupnění genomu
-
po průniku do buňky se virus musí zbavit veškerých obalů okolo své
genetické informace. Tím je umoţněna transkripce virových genů.
Replikace
-
nejdříve dochází k transkripcím genů časných virových proteinů (rozdíly mezi
templáty transkripce u různých typů virů jsou uvedeny výše). Časné virové proteiny modifikují
metabolismus buňky tak, aby usnadnil replikaci viru a zároveň umoţňují transkripci genů
pozdních virových proteinů. Tyto pozdní proteiny jsou převáţně strukturní proteiny kapsidy a
virových receptorů, případně i virové enzymy, které budou spolu s nukleovou kyselinou (musí
tedy dojít i k replikaci původní virové genetické informace) zabudovány do kapsidy.
Únik virových částic z buňky
-
po zkompletování virových částic jsou tyto uvolňovány z
buňky do okolí, coţ můţe vést i k smrti infikované buňky. Obalené viry se pře opuštěním
buňky ještě obalí buněčnou membránou (můţe jít nejen o cytoplazmatickou membránu, ale
třeba i o jadernou membránu nebo membránu endoplazmatického retikula).
Je třeba si uvědomit, ţe ne vţdy vede infekce buňky virem k okamţité replikaci virových částic a lýze
buňky. Pokud není buňka pro replikaci viru zcela vhodná, umí se některé DNA viry podobně jako
retroviry stát součástí buněčného genomu, případně perzistovat v buňce v podobě samostatných DNA
molekul. Tato schopnost virů je vyuţívána v
genové terapii, kde viry slouţí jako vektory nesoucí
příslušnou DNA. O retrovirech v této souvislosti jiţ byla řeč, z DNA virů se vyuţívají
adenoviry
.
Určité viry jsou spojeny se vznikem určitých
nádorů
. Tyto tzv.
onkogenní viry
fungují jako biologické
kancerogeny (avšak pro vznik nádoru je potřeba i spoluúčast dalších faktorů). Uvedeme si několik
klinicky významných případů:
Lidský papillomavirus
-
je spojený s rizikem karcinomu děloţního čípku
Virus Ebsteina-
Barrové
-
je spojený s Burkittovým lymfomem, nazofaryngeálním karcinomem,
nebo Hodgkinovými nádory
Virus hepatitidy B a hepatitidy C
- jsou spojeny s karcinomem jater
2)
Prokaryota a bakterie
Prokaryota obecně
Prokaryotní organismy jsou tvořeny tzv. prokaryotní buňkou, která má mnohem jednodušší stavbu neţ
buňka
eukaryotní. Její jedinou membránou je plazmatická membrána, tvořící povrch buňky.
Neobsahuje tudíţ membránové organely (vakuoly, mitochondrie, plastidy), jejichţ funkce je různě
nahrazována (např. metabolické děje volně v cytoplazmě, jádro bez obalu, tylakoidní útvary u
fotosyntetizujících prokaryot se tvoří z vychlípenin plazmatické membrány apod.).
Se
samotným zařazením těchto organismů bývá někdy potíţ, proto se můţete v různé literatuře setkat
s určitými rozdíly. Mně osobně se nejvíce líbí toto zařazení: Prokaryota tvoří samostatnou nadříši
ţivých organismů s prokaryotickou buňkou. Mezi ně patří arch
ebakterie, bakterie a sinice.
Právě na bakterie bychom se zde nyní zaměřili.
Bakterie
Co je vlastně na bakteriích tak zajímavého, ţe se o nich tolik mluví v genetických souvislostech?
Bakterie jsou totiţ neuvěřitelně vhodné pro genetický výzkum. Rozmnoţují
se sice nepohlavně, ale
velmi rychle se mnoţí a ve velmi krátké době lze vytvořit mnohamiliónové populace, a to přesně za
těch podmínek, které jsme chtěli navodit. Je to mnohem jednodušší neţ u vyšších organismů, u
kterých by se navíc neúměrně zvýšily finanční náklady na tyto pokusy. Mnohamilionové populace nám
také zvyšují šanci na vznik velmi vzácných mutací, které by se u menších populací téměř jistě
neprojevily. Některé bakteriální enzymy
- tzv.
restrikční endonukleázy
umoţnily vznik technologiím
rekom
binantní DNA. Bakteriální populace se pouţívají i pro
klonování DNA
, nebo pro
uchovávání
DNA knihoven
.
Bakteriální chromozom a jeho replikace
Chromozom bakterií je tvořen jedinou, kruhovitě sevřenou dvouvláknovou šroubovicí
deoxyribonukleové kyseliny (DNA). Tím, ţe obsahuje pouze jeden chromozom, je bakteriální buňka
trvale haploidní. Tato struktura je označována jako
nukleoid
(neplést s nucleus
-
eukaryota) a funkcí
tak odpovídá buněčnému jádru. Při replikaci nedochází k meioze ani k mitoze. Chromozom bakterií
neobsahuje introny a z funkčního hlediska jej tedy můţeme povaţovat za jediný exon (introny, exony
viz. transkripce
). Bakteriální chromosom obsahuje nepostradatelnou genetickou informaci. Jeho
replikace probíhá souměrně, symetricky a z jednoho místa (narozdíl od eukaryot, kde se při replikaci
tvoří replikačních počátků více). Hlavním enzymem replikace je opět
DNA polymeráza
(u bakterií
rozlišujeme polymerázu I, II a III), rozpletení šroubovice i případné nadšroubovice mají na
starosti
topoizomerázy
a
h
elikázy
, vznik RNA primeru nutného pro iniciaci replikace katalyzuje
DNA
primáza
a spojení Okazakiho fragmentů na opoţděném řetězci provede
DNA ligáza
.
Mimo nukleoid je genetická informace obsaţena i jinde. Jde především o plazmidy a genomy
bakteriálních virů (bakteriofágů).
Plazmidy
Plazmidy jsou nezávisle se replikující molekuly cirkulární DNA, které mohou existovat mimo
chromosom bakterie a mohou nést různé informace. Tyto informace nejsou pro bakterii ţivotně
nezbytné, ale mohou ji určitým způsobem zvýhodňovat, například pokud plazmid kóduje rezistenci na
některá antibiotika.
Za zmínku stojí především plazmidy F, které geneticky umoţňují
konjugaci
-
tedy způsob přenosu
genetické informace mezi bakteriemi. Bakterie s F plazmidy tvoří tzv. pohlavní pilus, který
zprostředkuje kontakt s další bakterií. Mezi oběma bakteriemi vznikne cytoplazmatický můstek, kterým
prochází jedno vlákno z dvoušroubovice plazmidu. V buňce donorové i recipientní je pak vlákno
dosyntetizováno zpět na dvoušroubovici. Přenos plazmidové DNA je tak stejně jako replikace DNA
semikonzervativní proces. Bakterie, která takto získala F plazmid, můţe nadále konjugaci sama
iniciovat. Plazmidy se mohou přenášet i mezi bakteriemi různých druhů, přesto zde však platí různá
omezení (grampozitivní bakterie většinou neumí předat plazmidy gramnegativním bakteriím a
naopak).
Transdukce a transformace
Transformace
-
Transformací nazýváme přenos volné DNA do bakteriální buňky. Je to aktivní proces,
který je limitovaný schopností bakterie tuto DNA přijímat (membránové receptory, enzymatická
výbava), ale i velikostí transformované DNA. Pokud bakterie fragment DNA přijme
-
můţe být tento
integrován do bakteriálního chromosomu.
Transdukce
-
Transdukce je přenos genetické informace zprostředkovaný bakteriofágy. Bakteriofágy
mají schopnost integrovat svou genetickou informaci do bakteriálního chromosomu. Tato informace
můţe být z chromosomu opětovně vyštěpena a virus opouští buňku. Pokud nedojde k přesnému
vyštěpení této DNA
-
potom s sebou virus přenáší i část původně bakteriální DNA. Jakmile tento virus
infikuje další bakterii
-
přenese se i tato část genetické informace.
Konjugace, tranformace a transdukce jsou děje, při kterých dochází k šíření genetické informace i
mimo klasickou cestu -
tj. dělení bakteriálních buněk. Tyto děje označujeme jako
parasexuální děje
.
Tranformace a transdukce mají velké uplatnění při různých biotechnologických metodách.
Transkripce u prokaryot
Mezi nejdůleţitější rozdíly oproti transkripci u eukaryot patří absence transkripčního k
omplexu.
Trankripci zde uskutečňuje DNA dependentní RNA polymeráza a její podjednotka
-
σ faktor
(
sigma
faktor
). ζ faktor je zodpovědný za rozpoznání
promotoru
(tedy zastává roli eukaryotních
transkripčních faktorů). Za ukončení transkripce je opět odpovědná signální sekvence
-
terminátor
.
Translace u prokaryot
Stejně jako u eukaryot, probíhá i u bakterií translace na ribozomech. Ty mají však mírně odlišnou
stavbu -
velká podjednotka (50S)
je tvořena přibliţně 30 proteiny a 2 molekulami rRNA (5S rRNA a
23S
rRNA), zatímco malá podjednotka (30S) je tvořena přibliţně 20 proteiny a molekulou 16S rRNA.
Transkripty mRNA neprocházejí u prokaryot ţádnými dalšími úpravami, ani nemusí překonávat
jadernou membránu (která u prokaryot neexistuje). U prokaryot se tak často setkáváme se spřaţením
dějů transkripce a translace, kdy můţe být na jednom konci mRNA stále elongována během
transkripce, zatímco na druhý
-
jiţ volný
-
konec mRNA začínají nasedat ribozomy a je zde zahájena
translace. To vede ke značnému urychlení proteosyntézy.
Za iniciaci translace je odpovědná malá podjednotka ribozomu a tRNA nesoucí (formyl)methionin
(nasedající na AUG kodon). Prokaryotní mRNA nemá čepičku (CAP), místo toho je však v mRNA před
AUG kodonem speciální signální sekvence pro navázání ribozomální podjednotky. Translace tedy
můţe začínat i zprostřed mRNA, z jedné molekuly mRNA tak můţe vzniknout i několik
polypeptidových vláken (umoţňuje translaci operonů
-
viz níţe).
Další zvláštností prokaryot jsou tzv.
operony
. Operony jsou geny, které jsou přepisovány do jedné
molekuly mRNA. Tyto geny jsou společně regulovány
-
buď jsou přepisovány všechny
-
nebo ţádný.
Nejznámějším příkladem je lac operon u bakterií. Jedná se o tři geny, jejichţ exprese umoţní bakterii
pouţít laktosu jako zdroj energie v situaci, kdy je jiných energetických zdrojů nedostatek. Naopak
-
pokud o primární zdroje není nouze
-
k expresi lac operonu nedochází.
3)
Onkogenní viry
Úloha virů v procesu maligní transformace
Z hlediska kancerogeneze (podrobněji popsané v kapitole
Onkog
enetika) je třeba
viry
řadit mezi biologické
kancerogeny. Viry jsou nitrobuněční parazité, kteří vyuţívají vnitřního prostředí a organel buňky k replikaci sebe
sama. Během virové infekce buňky dojde k proniknutí virové částice (někdy jen některých částí; vţdy proniká
virová dědičná informace) do buňky, obnaţení virové dědičné informace a zahájení exprese této informace.
Různé viry mají různé replikační potřeby a mechanizmus replikace se u různých virů samozřejmě liší
(nejmarkantnější rozdíly jsou např. mezi
DNA a RNA viry). V kaţdém případě však virová dědičná informace a
virové proteiny představují cizorodé molekuly, které mohou reagovat s buněčnými proteiny i buněčným genomem.
Tato interakce můţe mít různé následky, vzhledem k tématu práce se budeme dále soustředit na mechanizmy,
kterými virová infekce můţe spustit proces maligní transformace.
Pro retroviry je typický následující postup při replikaci. Virová RNA je přepsána specifickou RNA
-
dependentní
DNA-
polymerázou (reverzní transkriptázou) do DNA (dvouvláknové). Jako ostatní DNA polymerázy potřebuje i
reverzní transkriptáza pro syntézu primer
-
za tímto účelem slouţí molekula tRNA, kterou si retrovirus přináší s
sebou v kapsidě. Tato dvouvláknová DNA je následně inkorporována do jaderného genomu hostitelské buňky
jako tzv. provirus. Následné transkripce virových genů probíhají pouze pomocí enzymů hostitelské buňky.
U modelového retroviru nacházíme 3 geny (nejedná se přímo o pouhé 3 geny, jde spíše o 3 oblasti virového
genomu), které označujeme gag, pol a env. Jedná se o základní genetickou informaci, která zajišťuje replikaci
virové částice (gag kóduje antigenní proteiny kapsidy, pol kóduje virovou polymerázu
-
reverzní transkriptázu a
gen env především strukturní proteiny kapsidy a virového obalu). Produkty těchto genů transformační účinek
nemají.
Proto tyto retroviry mají většinou nízkou transformační aktivitu. Označují se také jako pomalu transformující
retroviry. Jejich transformační účinek je způsoben náhodnou integrací proviru do buněčného genomu, kde naruší
sekvenci nějakého buněčného protoonkogenu. Vlastní mechanismus transformace je pak způsoben silným
virovým promotorem, který aktivuje transkripci (a tím pádem i zvýšenou expresi) příslušného protoonkogenu
(který jiţ nyní vystupuje jako onkogen).
Exi
stují však i retroviry, v jejichţ genomu se nachází další gen
-
označovaný jako src. Toto označení pochází od
viru Rousova sarkomu, u kterého byl poprvé tento extra gen objeven. Tento gen není důleţitý pro vlastní replikaci
viru a jeho případné mutace replikační cyklus nikterak neovlivňují. Podobných genů bylo později objeveno
mnohem více
-
viz dále.
Během dalšího výzkumu se zjistilo, ţe v buněčném genomu (je třeba podotknout, ţe jde o buňky organizmu, na
který má příslušný virus primární transformační účin
ek -
u Rousova sarkomu jde například o kuřata) existují
homologní úseky k těmto virovým genům. Tak byly objeveny buněčné protoonkogeny (původ těchto genů je
opravdu buněčný a do virového genomu se dostává při chybném "vyštěpení z buněčného genomu; jde o podobný
mechanismus šíření genetické informace jakým je transdukce bakteriálních buněk pomocí bakteriofágů). V
kontextu virové transformace potom o buněčném protoonkogenu mluvíme jako o c
-
src (obecně c
-onc) a o jeho
virové formě jako v
-
src (obecně v
-onc). Je
st třeba připomenout, ţe buněčné (proto)onkogeny jsou standardní
součástí buněčného genomu a mají introny (na rozdíl od virových onkogenů, které introny nemají).
Virové onkogeny vykazují určité rozdíly ve svých sekvencích (jak jiţ bylo řečeno, exprese těchto genů neovlivňuje
replikační cyklus viru, a tak mutace těchto genů mají minimální selekční tlak; buněčné (proto)onkogeny naopak
mají vysoce konzervativní sekvence); často v nich (či v jejich blízkosti) nacházíme variabilní repetitivní sekvence,
které se zde vytvořily během formování proviru (tyto sekvence se nacházejí i v jiných genových oblastech
proviru). Obecně se tyto sekvence označují jako LTR (long terminal repeats) a označují aktivní promotorová místa
s enchancerovou aktivitou.
Virový onkogen integrovaný do buněčného genomu představuje nadbytečnou sekvenci buněčného
(proto)onkogenu. Tato nadbytečná kopie by jiţ sama od sebe mohla mít transformační aktivitu, která je ovšem
umocněna silným virovým promotorovým místem a případně i mutovanou sekvencí. Retroviry s takovýmito geny
mají značnou transformační aktivitu, proto je označujeme jako rychle (rapidně) transformující retroviry.
Následující seznam obsahuje některé nejznámější (rychle transformující) retroviry a jejich virové onkogeny.
Retroviry a v
irové onkogeny
Virus
V-onkogen
virus Fujinamiho sarkomu
v-fps
virus Harveyho myšího sarkomu
v-Ha-ras
virus Kirstenova myšího sarkomu
v-Ki-ras
virus Moloneyho myšího sarkomu
v-mos
virus opičího sarkomu
v-sis
virus ptačí erytroblastózy
v- erbA, v-erbB
virus ptačí myelomatózy
v-myc
virus Rousova sarkomu
v-src
Kromě onkogenních retrovirů se setkáváme i s dalšími RNA i DNA viry, které mají vliv na transformaci buňky.
Stejně jako u retrovirů se můţe virová genetická informace integrovat do buněčného genomu a narušit tak
sekvenci některého buněčného (proto)onkogenu (tato "taktika" je častá například při virové infekci nepermisivních
buněk, ve kterých virus nemůţe dokončit svůj replikační cyklus a namísto toho v buňce perzistuje). Dále se zde
však uplatňuje řada dalších transformačních mechanizmů.
Jmenujme například interakci produktů virových genů s buněčnými tumor
-
supresorovými geny (respektive jejich
produkty), které jsou touto interakcí inaktivovány, čímţ se otevírá cesta transformačnímu procesu (uveďme
si
alespoň inaktivaci p53 a p105
-
Rb proteinu u infekcí vyvolaných některými variantami lidského papillomaviru).
Virové proteiny mohou interagovat i se základními regulačními proteiny buněčného cyklu (cykliny a CD
-
kinázami);
případně mohou přímo ovlivňovat
transkripci a tím i expresi určitých buněčných genů (obojí opět ve smyslu
maligní transformace). Kromě podpory buněčné proliferace se rovněţ setkáváme s antiapoptotickým účinkem.
Dalším, velmi zajímavým mechanismem, kterým některé viry napomáhají transformačnímu procesu, je zvýšení
telomerázové aktivity v buňce. Telomery jsou nukleoproteinové terminální části eukaryotních chromozomů, které
hrají důleţitou roli ve stabilitě příslušných chromozomů, a to především během buněčného cyklu. V průběhu
kaţdého dělení buňky se telomery zkracují (dle určitých, dnes většinou přijímaných teorií existuje přímý vztah
mezi délkou telomer a stářím buňky; po určitém počtu dělení buňky by se tak buňka jiţ dále nedělila). Enzym
telomeráza umoţňuje telomery prodluţovat a tím prodluţovat i další schopnost buňky dělit se. Telomerázová
aktivita je fyziologicky v buňkách přítomna během prenatálního vývoje a v ojedinělých skupinách buněk (např.
buňky hemopoetické řady) i během ţivota jedince. V normálních somatických buňkách je telomerázová aktivita
takřka nedetekovatelná.
V posledních třech letech byl objeven vztah mezi zvýšenou aktivitou telomerázy a infekcí lidským papillomavirem
(HPV 16), herpesvirem HHV8 nebo EB virem. V genomu těchto virů však nebyla ţádná komponenta telomerázy
identifikována.
Prvním virem, u kterého byl objeven gen kódující subjednotku telomerázy (vTR), je MD (Marek's disease) virus,
který způsobuje maligní T
-
lymfomy u kuřat.
Na konec ještě poznámka
-
přestoţe dnes jiţ existují přesvědčivé důkazy o transformačním účinku některých virů
-
v konkrétním případě nádorového bujení u člověka nelze prokázat, ţe přítomnost viru v transformovaných
buňkách byla opravdu onou příčinou maligní transformace.
V následující části budou blíţe probrány nejvýznamnější onkogenní viry, způsobující maligní transformaci u
člověka.
Významné lidské onkogenní viry
Lidský papillomavirus (HPV)
Viry > dsDNA viry > Papillomaviridae
Jedná se o DNA virus vyskytující se v mnoha různých subtypech (identifikováno více neţ 70 subtypů). Má
vysokou afi
nitu k epiteliím kůţe a sliznic a keratinocytům. Kromě toho, ţe způsobuje bradavice, je papillomavirus
spojován s řadou benigních hyperplazií a tumorů a s některými vysoce maligními tumory
-
jakým je karcinom
děloţního čípku. Přenáší se tělesným kontaktem nakaţených částí těla
-
nejčastěji při sexuálním styku, přičemţ
narušení integrity povrchu můţe přenos znatelně usnadnit.
Transformační aktivita jednotlivých subtypů se tedy liší
-
s mírnou dysplazií jsou většinou asociovány subtypy 6 a
11 (jsou identifiko
vány aţ v 90% případů genitálových bradavic); s těţšími maligními neoplaziemi jsou spojeny
subtypy 16, 18, 31 a 33, 35 a 51 (některý z těchto subtypů nacházíme aţ u 85% případů karcinomu čípku
děloţního).
Transformační aktivita je pravděpodobně spojena s integrací virového genomu do genomu buňky. Zatímco v
benigních hyperplaziích nacházíme virovou genetickou informaci v epizomech mimo buněčný genom, v případě
karcinomů je virový genom integrován do buněčného genomu. Tato integrace je náhodná, avšak v případě
mnohobuněčného karcinomu nacházíme virus integrován ve všech buňkách na stejném místě, z čehoţ lze
usuzovat, ţe tato integrace předcházela klonální expanzi původní infikované
-
a následně transformované buňky.
Vlastní transformační účinek pravděpodobně obstarají produkty virových genů. Integrace virové genetické
informace do buněčného genomu otevře čtecí rámec virového genu E2 a způsobí jeho transkripci. To následně
způsobí zvýšenou expresi virového E6 a E7 genu. Virový protein E6 ovlivňuje buněčný protein p53, který buď
inaktivuje nebo zajistí jeho zvýšenou degradaci, dále aktivuje telomerázu, inaktivuje inhibitor CDK p16(INK4) a
interaguje i s dalšími buněčnými proteiny. Virový protein E7 interaguje s buněčným p105
-
Rb proteinem a narušuje
jeho vazbu na E
2F transkripční faktor, čímţ odblokovává buněčný cyklus. Dále inaktivuje buněčný protein p21
(coţ vede ke stejnému účinku jako interakce s p105
-
Rb) a negativně ovlivňuje transkripční aktivitu buněčného
TP53 genu. Objevují se přímo i mutace ve sktruktuře buněčného TP53 genu. Celkový účinek by se dal shrnout
pod několik hesel: zvýšení proliferační aktivity, zablokování apoptózy, získání nesmrtelnosti, změny morfologické
a zvýšení genetické nestability.
Na druhou stranu je třeba zmínit, ţe podle současných průzkumů je infekce (i potenciálně nebezpečným
subtypem) papillomavirem pouze počátkem celého transformačního procesu a musí se vyskytnout další faktory,
které jsou nezbytné pro dokončení transformačního procesu. Mezi tyto faktory patří například kouření, souběţné
bakteriální infekce, špatná výţiva nebo hormonální změny.
Jelikoţ karcinom děloţního čípku je celosvětově druhou nejčastější (po rakovině prsu) příčinou úmrtí ţen na
nádorové onemocnění, existuje jiţ delší dobu snaha o vyvinutí účinné očkovací látky proti určitým subtypům
papillomaviru. Většina vyvíjených vakcín se snaţí svým protektivním účinkem pokrýt zejména nejnebezpečnější
subtypy HPV 16 a 18. Vyuţívá se především imunizačního účinku virového L1 proteinu. Ačkoliv klinické studie
běţí jiţ několik let a v některých zemích (včetně ČR) jiţ byly zahájeny první zkušební programy na očkování
obyvatelstva, existuje stále mnoho nezodpovězených otázek. Jelikoţ největší protektivní účinek lze očekávat u
osob, které doposud nepřišly do kontaktu s HPV (který má schopnost v nakaţených jedincích perzistovat po
dlouhou dobu), provádí se očkování především u mladých dívek (řádově 16
-
26 let), které doposud neměly
pohlavní styk (a tudíţ se s HPV pravděpodobně doposud nesetkaly; u mladé
-
sexuálně aktivní dívčí popu
lace lze
HPV diagnostikovat aţ v 30% případů). Existuje moţnost rozšířit očkování i na starší ţeny, které rovněţ dosud
neměly pohlavní styk, nebo byly po delší dobu sexuálně zdrţenlivé. Nicméně uvaţuje se, ţe některé vakcíny by
mohly mít i přímý "terapeutický efekt", kdy by i očkování sexuálně aktivní populace mohlo přinášet přínosné
účinky.
Ačkoliv se mluví většinou pouze o očkování ţen, u vakcín pokrývajících i spektrum subtypů HPV 6 a 11 (subtypy
asociované se vznikem genitálových bradavic) by mělo jistě
smysl očkovat i muţskou populaci. Nicméně tato
varianta není zajisté tak aktuální jako očkování ţen proti nebezpečným formám, spojených se vznikem karcinomu
děloţního čípku.
Rovněţ je třeba si uvědomit, ţe karcinom děloţního čípku je problémem především rozvojových zemí (odkud
pochází aţ 80% případů tohoto onemocnění), ve kterých je zavádění plošného očkování většinou problematické,
nejen z finančních důvodů (a finanční náklady na očkování proti HPV jsou stále poměrně vysoké).
Dostları ilə paylaş: |