Papilloomiviirused

Evolutsioon

Võrreldes teiste viirustega on papilloomiviiruste evolutsioon olnud aeglane. Aeglane areng tuleneb sellest, et papilloomiviiruse genoomi, mis koosneb geneetiliselt stabiilsest kaheahelalisest DNA-st, sünteesitakse ainult peremeesraku DNA replikatsioonimehhanismi abil. Papilloomiviirused arenevad üldiselt koos oma peremeesorganismiga. HPV-16 arenes inimpopulatsioonide laienemisel üle maakera ning nüüd ta varieerub erinevates geograafilistes piirkondades.
Teised HPV tüübid, nagu HPV-13, varieeruvad erinevates inimpopulatsioonides vähe. HPV-13 järjestus on sarnane bonobote papilloomiviiruste omaga. Ei ole selge, kas sarnasuse põhjuseks on hiljutine liikidevaheline ülekandumine või asjaolu, et HPV-13 on alates inimese ja bonobote lahknemisest vähe muutunud.

Struktuur

Papilloomiviirused on ümbriseta viirused, mis tähendab, et viiruse kapsiid ei ole kaetud lipiidse membraaniga. Peamine struktuurvalk on L1, mis on vajalik ja piisav 55–60 nm diameetriga kapsiidi moodustamiseks. Kapsiidi koostisse kuulub 72 tähekujulist kapsomeeri. Sarnaselt suurema osaga ümbriseta viirustest on papilloomiviiruse kapsiidi geomeetria korrapärane ja omab ikosaeedrilist sümmeetriat. In vitro L1 valgust kokku pandud viiruselaadsed partiklid on edukate profülaktiliste HPV vaktsiinide aluseks.
Papilloomiviiruse genoom on kaheahelaline tsirkulaarne DNA molekul. Pikkus on umbes 8000 aluspaari. DNA paikneb virionis koos rakuliste histoonidega, mis moodustab kromatiiniga sarnaneva kompleksi.
Papilloomiviiruse kapsiid sisaldab lisaks L1 valgule ka valku L2. Peale kapsiidi moodustamise täidab E2 ka selliseid funktsioone nagu genoomi pakkimise hõlbustamine virionidesse ja viiruse infektsioonilisele sisenemisele kaasaaitamine. L2 on HPV vaktsiinide üks võimalikke sihtmärke.

Koespetsiifilisus

Papilloomiviirused replitseeruvad üksnes keratinotsüütides, mis paiknevad naha välimistes kihtides ja limaskestadel. Need epiteelkoed koosnevad lamestunud rakkude kihtidest. Kihid moodustuvad rakulise diferentseerumise tulemusena, milles keratinotsüüdid järk-järgult spetsialiseeruvad. Lõpuks moodustub tugev ja omavaheliste kontaktidega seostunud pind, mis takistab niiskuskadu ja on mehaaniliseks barjääriks patogeenidele. Vähediferentseerunud keratinotsüütide tüvirakud paiknevad basaalkihis ning nad täiendavad pidevalt pindmisi kihte. Kuna nad on ainsana epiteelirakkudest jagunemisvõimelised, siis on nad papilloomiviiruse infektsiooni sihtmärgiks. Edasised sammud viiruse elutsüklis on ranges sõltuvuses keratinotsüütide diferentseerumisest ning seetõttu saavad papilloomiviirused replitseeruda ainult keha pindmistes kudedes.

Genoomne organisatsioon

Nende genoomi moodustab kaheahelaline tsirkulaarne DNA molekul, mille keskmine pikkus on 8000 aluspaari. Põhiliseks struktuurvalguks on L1, mille abil moodustatakse korrapärane ikosaeedrilise sümmeetriaga ja 55–60 nm diameetriga kapsiid.
Teatakse sadu papilloomiviiruste liike, millele viidatakse kui "tüüpidele". Need on väga peremehe- ja koespetsiifilised. Viirused nakatavad epiteelkoe rakke ning replitseeruvad rakutuumas. Seejuures võivad mõned viiruse tüübid vähki tekitada.
Siiani on koostatud rohkem kui saja inimese papilloomiviiruse tüübi genoomid ja PCR-andmete töötlemise tulemiks võib olla veel umbes 100 tüübi olemasolu tuvastamine.
Tuntuim esindaja on inimese papilloomiviirus.
Papilloomiviiruse genoom on jagatud varajaseks regiooniks (early region, E) ja hiliseks regiooniks (late region, L). Varajase ja hilise kodeeriva ala vahele jääb mittekodeeriv regulatoorne ala (URR ehk upstream regulatory region, LCR ehk long control region). Varajane regioon kodeerib geene, mida ekspresseeritakse kohe pärast esmast raku infektsiooni ning hiline regioon kapsiidivalke L1 ja L2. Kõik geenid asuvad ühes DNA ahelas. See on suur erinevus papilloomiviiruste ja polüoomiviiruste vahel, kuna viimases ekspresseeritakse varajased ja hilised geenid bipolaarse transkriptsiooniga mõlemalt DNA ahelalt. See näitab, et papilloomiviirustel ja polüoomiviirustel pole olnud ühist eellast, kuigi nende struktuurides on märkimisväärsed sarnasused.

E1

E1 on papilloomiviiruse peamine replikatsioonivalk. E1 avatud lugemisraam (open reading frame, ORF) kodeerib valku, mis seostub viraalsele replikatsioonioriginile ehk replikatsiooni alguspunktile LCR'is. E1 kasutab ATP energiat, et rakendada helikaasset aktiivsust DNA ahelate lahutamiseks. Nii valmistab ta viiruse genoomi ette DNA replikatsiooniks.

E2

E2 valk täidab viraalsetes promootorites põhiliselt transkriptsioon regulaatori rolli. Valgul on transaktivatsiooni domeen ja DNA-d seondav domeen, mis on omavahel seotud hinge (hinge) domeeniga. Üksinda seondub E1 valk replikatsioonioriginile nõrgalt. E2 aitab kaasa E1 tugevamale seondumisele. E2 valk seondab viiruse genoomi ka raku mitootilistele kromosoomidele ja see on oluline viiruse genoomi segregatsioonil ehk jaotumisel tütarrakkude vahel. Arvatakse, et onkogeenide E6 ja E7 ekspresseerumisel käitub E2 negatiivse regulaatorina. Geneetilised muutused, nagu viiruse DNA integratsioon peremeesraku kromosoomi, inaktiveerivad E2 ekspressiooni ja suureneb onkogeenide E6 ja E7 ekspressioon. Tulemuseks on rakusisesed muutused.

E3

Väikest oletuslikku geeni E3 leidub ainult vähestes papilloomiviiruse tüüpides. Siiani ei ole õnnestunud tuvastada selle geeni ekspresseeritavat valku ja tal ei tundu olevat funktsioone.

E4

E4 valke ekspresseeritakse varajases infektsioonifaasis madalal tasemel, kuigi ta kuulub varajaste geenite hulka. Hilises infektsioonifaasis võib ekspressioon järsult suureneda. HPV-1 tekitatud tüüka puhul moodustab E4 ligi 30% tüüka pinnavalgust. Arvatakse, et mitmetes papilloomiviiruse tüüpides vahendab E4 virionide vabanemist keskkonda, selleks katkestab ta keratinotsüütide tsütoskeleti filamentide vahelised sidemed. 
E4 mutantidel ei toimub kõrgel tasemel DNA replikatsiooni, kuid ei ole selge, kuidas E4 replikatsioonis osaleb. Samuti on näidatud, et E4 osaleb rakutsükli peatamises G2 faasis.

E5

E5 valgud on väga väikesed ja hüdrofoobsed, mis destabiliseerivad suurt hulka nakatunud raku membraanivalkude funktsioone. Mõnedes papilloomiviiruse tüüpides (enamjaolt BPV-1) toimib E5 onkogeenina. Sellisel juhul ta aktiveerib rakkude kasvu soodustavaid signaale. Inimese papilloomiviirustes on E5 seotud vähitekkega. HPV-16 ja HPV-2 on näidatud, et E5 surub maha peamise koesobivuskompleksi (major histocompatibility complex, MHC), mis hoiab ära nakatunud rakkude elimineerimise tsütotoksiliste T-rakkude poolt.

E6

Valgul E6 on rakus palju erinevaid rolle ja ta omab vastastikmõju paljude teiste valkudega. Peamiseks rolliks on tuumor-supressorvalgu p53 lagundamine. p53 peamine funktsioon on rakutsükli peatamine DNA kahjustuse korral ja raku suunamine apoptoosi, kui kahjustuse ulatus on parandamiseks liiga suur. p53 lagundamine vähendab raku suutlikkust vastata DNA kahjustustele. E6 sihtmärgiks on mitmed rakulised valgud ning ta suudab muuta metabolismiradasid. Üheks selliseks valguks on NFX1-91, mis surub maha telomeraasi tootmist. Telomeraas lubab rakkudel jaguneda piiramata arv kordi. Kui NFX1-91 lagundatakse E6 poolt, siis telomeraasi hulk suureneb ja üks peamisi raku kasvu kontrollivaid mehhanisme inaktiveeritakse.
HPV põhjustatud vähkides on E6 ekspressioon vajalik pahaloomulise fenotüübi säilitamiseks. Seetõttu on E6 ka inimese papilloomiviiruste vaktsiinide sihtmärk.

E7

Enamikus papilloomiviirusetüüpides on E7 funktsiooniks tuumor-supressorvalgu pRb mahasurumine. Samuti indutseerib ta DNA sünteesi latentses faasis. Koos valguga E6 hoiab E7 ära raku surma e apoptoosi ning soodustab rakutsükli kulgemist. E7 osaleb telomeraasi aktiveerimises. E6 ja E7 on tähtsad uurimisobjektid ja usutakse, et neil on nakatunud rakkudes palju teisi olulisi efekte. E6 ja E7 on vajalikud vähirakuliinide elushoidmiseks (nt HeLa).

E8

Vähesed papilloomiviiruse tüübid kodeerivad E8 geenist lühikest valku. Näiteks mõnedel veise papilloomiviirustel on E8 geenid funktsionaalselt sarnased HPV E5 geenidega.

L1

L1 on peamine kapsiidivalk ja temast piisab viiruslaadsete partiklite moodustamiseks. L1 valgust in vitro kokku pandud kapsiidid on mitmete HPV-vastaste vaktsiinide aluseks.

L2

L2 on samuti kapsiidivalk, mida leidub papilloomiviiruse virionis oksüdeeritud kujul. L2 osaleb koos valguga L1 viiruse DNA pakkimisel virioni, kuid L2 osaleb ka viiruse sisenemisel rakku. Pärast sisenemist satub virion endosoomi, kus happelised tingimused viivad L2 valgu põhjustatud destabiliseerivate funktsioonideni. Vabanedes endosoomist, liigub viiruse genoom rakutuuma. Kuna L2 on oluline nakatumiseks, on ta huviobjektiks vaktsiinide väljatöötajatele.

Infektsiooniline sisenemine

Papilloomiviiruse produktiivne infektsioon algab epiteelkoe basaalse rakukihi nakatamisest. Viirus pääseb keratinotsüütidele ligi väikeste haavade kaudu nahas või limaskestas. Esmast viiruse kinnitumist raku pinnale vahendavad kapsiidivalgu L1 ja sulfateeritud suhkrute interaktsioonid. Viirus on seejärel võimeline sisenema rakku, spetsiifilisele retseptorile seondudes. Raku pinnal asuvaks retseptoriks on tõenäoliselt alfa-6 beeta-4 integriin. Viiruse antiretseptoriks on kapsiidivalk L1. Seostunud viirus transporditakse endosoomidesse. Kapsiidivalk L2 katkestab endosoomi membraani, mis lubab viiruse genoomil väljuda. Genoom transporditakse koos L2 valguga rakutuuma.

Viiruse säilimine rakus

Pärast edukat keratinotsüütide nakatumist hakkab viirus ekspresseerima valke E1 ja E2. Need valgud on vajalikud replitseerumiseks ja viiruse säilitamiseks tsirkulaarse episoomina. Viiruse genoomi koopiaarv on episoomina säilides väike. Viiruslikud onkogeenid E6 ja E7 inaktiveerivad tuumor-supressorgeenid p53 ja pRb, millega stimuleeritakse raku kasvu. Papilloomiviiruse genoomid võivad säilida keratinotsüütide tüvirakkudes episoomina aastakümneid.

Uute virionide moodustamine

Hiliste geenide L1 ja L2 ekspressioon toimub ainult naha või limaskesta välimise kihi keratinotsüütides. L1 ja L2 suurenenud ekspressioon on seotud viiruse genoomi koopianumbri hüppelise kasvuga. Kuna välimiste kihtide rakud on suhteliselt väikse immuunsüsteemirakkude järelevalve all, siis arvatakse, et hiliste geenide ekspressioon on seotud immuunsüsteemist kõrvalehoidmisega.
Uued nakatumisvõimelised viirused pannakse kokku rakutuumas. Papilloomiviirustel on arenenud mehhanism, kuidas vabastada virione keskkonda. Teised ümbriseta imetajate viirused kasutavad lüütilisi protsesse peremeesraku tapmiseks, mis võimaldavad viiruspartiklite vabanemist. Sageli kaasneb selle protsessiga põletik, mis omakorda võib päästa valla immuunsüsteemi rünnaku viiruse vastu. Papilloomiviirused kasutavad ära aga epiteeli pindmise kihi rakkude irdumist kui mittepõletikulist viiruspartiklite vabastamismehhanismi.