Vaktsiinia viirus

Päritolu

Vaktsiinia viiruse päritolu ja peremeesorganism on teadmata. On levinud arvamus, et lehmarõuge viirust (CPXV) kasutas Edward Jenner 1796. aastal rõugete (Variola viiruse) vaktsineerimisel, kuid 1939. aastal demonstreeris Alan Downie, et 20. sajandil kasutatud vaktsiini tüved olid bioloogiliselt erinevad CPXV-st.
Vaktsiinia viiruse genoomi järjestuse analüüs on näidanud, et VACV ei ole arenenud otse CPXV-st ega varioola viirusest (VARV) rekombinatsiooni või muteerumise teel. Ühe teooria kohaselt pärineb vaktsiinia viirus hobuste rõugeviirusest, mille tõenduseks on fakt, et Jenner ja teised vaktsineerijad kasutasid hobustest võetud vaktsiine, kui lehmarõuge viirust polnud käepärast. Siiski ei ole see piisav tõestus, et VACV on hobusest pärit.

Genoom

VACV genoom on lineaarne, kaheahelaline DNA (dsDNA) molekul, mille pikkuseks on 185 000 – 200 000 aluspaari. DNA otsad on kovalentselt seotud, moodustades juuksenõela struktuure. Terminaalsed otsad on ümberpööratud kordusjärjestused (ITR-id), mille pikkus tüvedel erineb. VACV genoom on tihedalt kokku pakitud, seega mittekodeerivat ala esineb genoomis vähesel määral ning mRNA-d ei ole splaisitud.
Genoomi võib üldiselt jagada kolmeks regiooniks. Tsentraalne regioon (u 100 000 aluspaari) kodeerib erinevatel tüvedel valke, mis on tugevalt konserveerunud (ehk kõikidel Chordopox-viirustel on need järjestused üldiselt identsed). Enamik neist valkudest (89) on äärmiselt vajalikud mingil replikatsiooni etapil. Mõlemad terminaalsed otsad aga kodeerivad valke, mille järjestused varieeruvad suurel määral eri Chordopox-viirustel (kaasa arvatud erinevatel VACV tüvedel). Nendeks on üldiselt luksusfunktsioonid ehk need geenid ei ole replikatsiooniks ja virionide moodustumiseks absoluutselt vajalikud. Nimetatud geenide kaudu mõjutatakse peremeesorganismide valikut, virulentsust ja interaktsioone peremeesorganismi immuunsüsteemiga.

Virion

Vaktsiinia viiruse virioni on kirjeldatud tellisekujulisena, selle mõõtmed on 250 nm x 350 nm ja see on ümbritsetud ühe või enama membraaniga. Morfoloogiliselt on eristatavad kaks struktuuri: IMV (rakusisene valminud viirus; inglise intracellular mature virus) ja EEV (rakuväline kaetud viirus; inglise extracellular enveloped virus). 
IMV koosneb kahest membraanist, mis sisaldab hantlikujulist tuumikut (inglise core) ja lateraalseid kehasid. Tuumik sisaldab oma väliskihis poore ja on ümbritsetud valguogadega. Tuumikusse on pakitud genoom koos vajalike struktuurvalkude ja ensüümidega, mida kasutatakse viiruse varajases infektsioonis. 
EEV vorm on põhimõtteliselt IMV koos ühe lisalipiidmembraaniga. Võimalik, et see on pärit kas trans-Golgi kompleksist või varajasest endosoomist. Lisalipiidmembraan on õrn ning sisaldab antigeene, mis puuduvad IMV partiklist.

Transkriptsioon

Mõni minut pärast infektsiooni algust sünteesitakse VACV mRNA-d. Seda protsessi teostab viiruse DNA-sõltumatu RNA polümeraas, mis on pakitud virioni koos vajalike transkriptsioonifaktorite ja ensüümidega (mRNA-de polü-A ja cap-struktuuri lisamise jaoks). Viiruse mRNA-d surutakse tuumikust välja. 
Varajasteks valkudeks on DNA replikatsiooni ja nukleosiidtrifosfaadi prekursorite sünteesi ensüümid ning faktorid, mis blokeerivad kaasasündinud immuunvastust. Pärast varaste geenide ekspressiooni tuumik-struktuur lagundatakse ning genoom vabaneb tsütoplasmasse. 
Algab keskmiste geenide transkriptsioon, millest paljud on transkriptsioonifaktorid, mis on vajalikud hiliste geenide ekspressiooniks. 
Hilised geenid kodeerivad struktuurvalke, millest moodustuvad uued virionid, ning lisafaktoreid, mis mõjutavad peremeesorganismi vastust infektsioonile. 
Valk D10 eemaldab peremeesraku mRNA-de metüleeritud cap-struktuuri, lülitades peremehe valgusünteesi välja ning eemaldades konkurentsi enda valkude transleerimiseks.

Replikatsioon

Viiruse DNA replikatsioon toimub tsütoplasmas asuvates nn replikatsioonikompleksides. Viiruse DNA kodeerib DNA replikatsiooniks enamik ensüüme: DNA polümeraas, nukleosiidi fosfohüdrolaas, üheahelalist DNA-d siduv valk, protsessiivsuse faktor ja valgukinaas. Kodeerivateks ensüümideks on veel topoisomeraas ja DNA ligaas, millest viimane ei ole replikatsiooniks kindlasti vajalik, kuigi ta on genoomis olemas. 
DNA replikatsioon algab lõikega ühte DNA ahelasse terminaalse silmuse lähedusse. Seejärel silmus avaneb ning sellest saab DNA sünteesi maatriks. Ahela elongatsioon toimub teise otsa kinnise silmuseni ning DNA ahelad eralduvad. Uue juuksenõela struktuuri moodustumine võimaldab DNA replikatsioonil jätkuda ahela nihutamise/väljatõrjumise kaudu. Moodustuvad DNA kontaktemeerid, mis eraldatakse monomeerideks virionisse pakkimise ajal.

Virioni moodustumine

Virioni moodustumine toimub tsütoplasmakompleksides. Esimeseks nähtavaks struktuuriks on poolkuukujuline viiruse valkudest ja peremehe lipiididest koosnev struktuur. Pealmine kiht koosneb valgust D13, mis moodustab trimeere ja stabiliseerib poolkuukujulise membraani moodustumist. See pikeneb ning sisse pakitakse genoom. Toimub mõningate kapsiidi valkude lõikamine ja virioni tuumiku kondensatsioon, mis viib infektsioonilise IMV moodustumiseni. Enamik IMV partikleid jääb nakatunud rakku kuni selle lüüsumiseni. Osa neist transporditakse mikrotuubulite abil lähedalasuvasse mikrotuubulite organiseerimise keskusse, kus nad pakitakse lisamembraani (mis pärineb kas trans-Golgi kompleksist või varajasest endosoomist), mida on mitmed viiruse valgud modifitseerinud. Moodustunud on IEV (rakusisene kaetud viiruse) virion, mis transporditakse mikrotuubulite abil raku pinnale, mille käigus kaotab IEV oma välimise membraani (virioni jääb katma kaks membraani – CEV). Raku pinnal kasvatab virion endale saba, mille abil liigub ta rakust kaugemale ja siseneb lähedal asuvatesse nakatumata rakkudesse EEV-na.

Kasutamine vaktsiinina

VACV-d on kasutatud rõugete viiruse vastu vaktsineerimisel. Viirusel on täheldatud mitmeid negatiivseid kõrvalmõjusid, kuid tänu viirusele on rõuged ravitud. Tänapäeval on loodud uus vaktsiin ACAM2000 (tüvi Acambis 2000), mida saab vajadusel rõugeviiruse vastu kasutada.

Kasutamine viirusvektorina

Vaktsiinia viirus on heaks viirusvektoriks, kuna tal on suur DNA, millest paljud geenid on luksusfunktsioonideks. Neid saab asendada meile vajalike geenijärjestustega. Elava viiruse kasutamine viirusvektorina, teiste patogeenide antigeenide ekspressiooniks annab mitmeid eeliseid. Näiteks saab kasutada väikest doosi, tänu millele langeb vaktsiini doseerimise kulu. Antigeeni toodetakse pika aja vältel, tänu millele tekib terviklik immuunsus.
Ühtegi rekombinantset viirust ei ole lubatud kasutada sel moel vaktsiinina. Töös on mitmed kliinilised eksperimendid potentsiaalsete vaktsiinide katsetamiseks. Vaktsiinia viirust on mõeldud kasutada HIV vastu. Samuti on vaktsiinia viirust katsetatud Epsteini-Barri viiruse immuniseerimiseks. 
Ühtki poksviiruste vektorit ei ole litsentseeritud inimese vaktsiinina. Neid kasutatakse laialdaselt veterinaarias. Selle näiteks on vaktsiinia viiruse vaktsiin, mis ekspresseerib marutõbe põhjustava viiruse välispinna glükoproteiine, mida kasutatakse eluslooduse immuniseerimiseks. Marutaudi leviku piiramiseks metsloomadel nakatatakse nende sööt rekombinantse Vaktsiinia viirusega. Seejärel saavutavad loomad immuunsuse marutõve suhtes.