O poliovirus é o axente vírico causante da poliomielite (ou polio). Actualmente non se considera unha especie de virus senón un serotipo da especie Enterovirus C, da familia Picornaviridae.
O poliovirus está composto dun xenoma de ARN e unha cápside proteica e sen envoltura. O xenoma é unha molécula de ARN monocatenario de sentido positivo duns 7 500 nucleótidos de longo. A partícula viral é duns 30 nm de diámetro con simetría icosaédrica. Debido ao seu curto xenoma e a súa composición simple (só un ARN e as proteínas da cápside), o poliovirus é considerado como o virus importante máis simple.
O poliovirus illouse por primeira vez en 1909 por Karl Landsteiner e Erwin Popper. A estrutura do virus foi dilucidada primeiro usando difracción de raios X por un equipo do Birkbeck College liderado por Rosalind Franklin, mostrando que o virus da polio tiña unha simetría icosaédrica.
En 1981, publicouse o xenoma do poliovirus grazas aos traballos de dous equipos: o de Vincent Racaniello e David Baltimore no MIT e o de Naomi Kitamura e Eckard Wimmer na Universidade de Stony Brook. O poliovirus é un dos virus mellor caracterizados, e converteuse nun sistema modelo útil para a comprensión da bioloxía dos virus de ARN.
Ciclo de replicación
miniatura|upright=1.5|O ciclo de replicación do poliovirus iníciase ao unirse ao receptor da superficie celular CD155 (1). O virión é introducido na célula por endocitose, e o ARN viral queda liberado (2). A tradución do ARN viral ocorre por un mecanismo mediado por IRES (3). A poliproteína resultante é cortada, rendendo as proteínas virais maduras (4). O ARN de sentido positivo serve como molde para a síntese da febra complementaria de sentido negativo, producindo unha forma replicativa (RF) bicatenaria de ARN (5). Prodúcense moitas copias de febras positivas a partir da febra negativa monocatenaria inicial (6). As moléculas de ARN de sentido positivo acabadas de sintetizar poden servir como moldes para a tradución de máis proteínas virais (7) ou poden ser encapsuladas dentro da cápside (8), o que finalmente orixina a proxenie de viróns. A lise da célula infectada causa a liberación da proxenie de virións infecciosos (9).
O poliovirus infecta as células humanas ao unirse a un receptor de tipo inmunoglobulina, o CD155 (tamén coñecido como receptor do poliovirus ou PVR) situado na superficie celular. A interacción do poliovirus co CD155 facilita un cambio conformacional irreversible da partícula viral necesario para a entrada viral. Despois de adherirse á membrana plasmática da célula hóspede, crese que a entrada do ácido nucleico viral se produce por unha destas dúas vías: por medio da formación dun poro na membrana plasmática a través do cal se “inxecta” o ARN no citoplasma, ou por captación do virus por endocitose mediada por receptor. Hai probas experimentais recentes que apoian esta última hipótese e suxiren que o poliovirus se une ao CD155 e despois entra por endocitose. Inmediatamente despois da internalización da partícula, libérase o ARN viral.
O poliovirus é un virus de ARN de febra positiva. O seu xenoma está encerrado na partícula viral e pode utilizarse como ARN mensaxeiro e ser inmediatamente traducido pola célula hóspede. Ao entrar, o virus aprópiase da maquinaria de tradución da célula, causando a inhibición da síntese proteica celular en favor da produción de proteínas específicas do virus. A diferenza dos ARNm da célula hóspede, o extremo 5' do ARN do poliovirus é extremadamente longo (duns 700 nucleótidos) e está moi estruturado. Esta rexión do xenoma viral denomínase sitio de entrada ao ribosoma interno (IRES, do inglés internal ribosome entry site). Esta rexión consta de moitas estruturas secundarias e 3 ou 4 dominios. O dominio máis importante do IRES é o dominio 3 (parte de iniciación da tradución). O dominio 3 é un elemento do ARN de autopregamento que contén motivos estruturais conservados en varios talos-bucle estables enlazados por dúas unións de catro vías. Un IRES consta de moitos dominios e estes dominios tamén constan de moitos bucles que contribúen a unha tradución modificada sen a caparuza do extremo 5’ ao apropiarse do ribosoma celular que, a diferenza da tradución convencional, non empeza desde o primeiro paso senón desde os últimos pasos. O bucle de interacción do dominio 3 é un tetrabucle GNRA. Os residuos de adenosinas A180 e A181 no tetrabucle GUAA forman enlaces de hidróxeno por interaccións de apareamento de bases non canónico cos pares de bases dos receptores C230/G242 e G231/C241, respectivamente. As mutacións xenéticas nesta rexión impiden a produción de proteínas virais. O primeiro IRES que se descubriu atopouse no ARN do poliovirus.
O ARNm do poliovirus tradúcese formando un único polipéptido longo. Este polipéptido é despois autoclivado por proteases internas orixinando 10 proteínas virais separadas. Non todas as clivaxes ou cortes ocorren coa mesma eficiencia, polo que a cantidade de proteínas producidas pola clivaxe dos polipéptidos varía: por exemplo, prodúcense cantidades menores da proteína 3Dpol que das proteínas da cápside, VP1–4. Estas proteínas virais separadas son: miniatura|upright=1.5|Estrutura xenómica do poliovirus tipo 1 3Dpol, unha ARN polimerase dependennte de ARN cuxa función é facer múltiples copias do xenoma do ARN viral. 2Apro e 3Cpro/3CDpro, proteases que clivan o polipéptido viral. VPg (3B), unha pequena proteína que se une ao ARN viral e é necesaria para a síntese do ARN de febra positiva e negativa. 2BC, 2B, 2C (unha ATPase)., 3AB, 3A, 3B, proteínas que forman o complexo proteico necesario para a replicación do virus. VP0, que é despois clivada orixinando VP2 e VP4, VP1 e VP3, que son as proteínas da cápside viral.
Despois da tradución, realízanse a transcrición e replicación do xenoma, que implican un só proceso (síntesde do ARN (+)). Para que se replique o ARN (+), deben transcribirse múltiples copias de ARN (−) que despois se utilizan como moldes para a síntese de ARN (+). Os intermediarios replicativos (RIs), que están asociados con moléculas de ARN constan dun molde de ARN e varios ARN en crecemento de distintas lonxitudes, que se ven tanto nos complexos de replicación de ARN (−) coma de ARN (+). Para a síntese de cada ARN de febra positiva e negativa, as proteínas VPg do poliovirus funcionan como un cebador. A ARN polimerase dependente de ARN do poliovirus engade dous nucleótidos de uracilo (UU) á proteína VPg que utiliza a cola poli(A) no extremo 3′ do xenoma de ARN monocatenario positivo como padrón, para a síntese de ARN antixenómico de febra negativa. Para iniciar esta síntese de ARN monocatenario negativo, é necesario o hidroxilo da tirosina da VPg. Pero para a iniciación da síntese do ARN de febra positiva, cómpre a uridilización da VPg dependente de CRE (polo que é unha proteína con U unidos). Iso significa que se utiliza unha vez máis a VPg como cebador, pero esta vez engádense os dous uridín trifosfato usando como molde un elemento de replicación que actúa en cis (ou CRE, do inglés cis-acting replication element).. O CRE do poliovirus identifícase no ARN como un talo no que non se produciu apareamento de bases e un bucle final de 61 nucleótidos. O CRE encóntrase en enterovirus. É un elemento estrutural secundario do ARN altamente conservado incrustado na rexión do xenoma codificante da poliproteína. O complexo pode ser translocado á rexión 5' do xenoma que non ten actividade codificante, polo menos a unha distancia de 3,7 kb da localización inicial. Este proceso pode ocorrer sen influír negativamente na actividade. As copias do CRE non inflúen na replicación negativamente. O proceso de uridilización da VPg que ten lugar no CRE necesita a presenza de 3CDpro, que é unha proteína que se une ao ARN. Esta únese ao CRE de frorma directa e específica. Debido á súa presenza, a VPg pode unirse correctamente ao CRE e realízase a produción primaria sen problemas.
Algunhas das moléculas de ARN (+) utilízanse como moldes para facer máis síntese de ARN (−), algúns funcionan como ARNm, e outros están destinados a ser os xenomas dos virións da proxenie.
Na ensamblaxe das novas partículas do virus (é dicir, o empaquetamento do xenoma da proxenie nunha procápside que poida sobrevivir fóra da célula hóspede) ocorre o seguinte: Ensámblanse cinco copias de cada de VP0, VP3 e VP1, cuxa parte N-terminal e a VP4 forman a superficie interna da cápside, ensámblanse formando un ‘pentámero’ e 12 destes pentámeros forman unha procápside. (A superficie externa da cápside consta de VP1, VP2, VP3; mentres que a parte C-terminal de VP1 e VP3 forman os canóns que hai arredor de cada vértice; nese momento, clívanse as 60 copias de VP0 orixinando VP4 e VP2.) Cada procápside adquire unha copia do xenoma do virus, coa VPg aínda unida ao extremo 5'.
O poliovirus completamente ensamblado abandona a célula hóspede cando ten lugar a súa lise, que se produce de 4 a 6 horas despois da iniciación da infección en células de mamífero cultivadas. O mecanismo da liberación viral da célula non está claro, pero cada célula que morre pode liberar ata 10 000 virións do poliovirus.
Drake demostrou que o poliovirus pode sufrir unha reactivación de multiplicidade. Isto significa que cando os poliovirus son irradiados con luz UV e se lles permite que realicen múltiples infeccións de células hóspede, pode formarse proxenie viable incluso cando as doses de UV inactivarían o virus nunha soa infección. O poliovirus pode sufrir recombinación xenética cando están presentes polo menos dous xenomas virais na mesma célula hóspede. Kirkegaard e Baltimore presentaron probas de que a ARN polimerase dependente de ARN (RdRP) cataliza a recombinación por un mecanismo de elección de copia no cal a RdRP cambia entre moldes de ARN monocatenario (+) durante a síntese de febras negativas. A recombinación en virus de ARN parece ser un mecanismo adaptativo para reparar danos no xenoma.
Orixe e serotipos
O poliovirus é estruturalmente similar a outros enterovirus humanos (coxsackievirus, ecovirus e rinovirus), que tamén usan moléculas de tipo inmunoglobulina para recoñecer e entrar nas células hóspede. A análise filoxenética das secuencias de ARN e proteínas do poliovirus indica que probablemente evolucionou a partir dun antepasado que era un virus Coxsackie A do grupo C, que se orixinou por unha mutación na cápside. A especiación do poliovirus seguramente ocorreu como resultado dun cambio na especificidade polo receptor celular desde a molécula de adhesión intercelular 1 (ICAM-1), utilizada polos virus Coxsackie A do grupo C, ao CD155; orixinando un cambio na patoxenicidade, e permitindo que o virus infecte o tecido nervioso.
A taxa de mutación do virus é relativamente alta incluso para un virus de ARN, cunha taxa de substitución sinónima de 1,0 x 10−2 substitucións/sitio/ano e unha taxa de substitución non sinónima de 3,0 x 10−4 substitucións/sitio/ano. A distribución de bases no xenoma non é aleatoria, e a adenosina é menos común do esperado no extremo 5' e maior do esperado no extremo 3'. O uso dos codóns non é aleatorio, e os codóns que acaban en adenosina están favorecidos e os que acaban en citosina ou guanina tenden a ser evitados. O uso de codóns difire entre os tres xenotipos e parece que é impulsado pola mutación e non pola selección.
Os tres serotipos de poliovirus, PV-1, PV-2 e PV-3, teñen proteínas da cápside lixeiramente diferentes. As proteínas da cápside definen a especificidade de receptor celular e a antixenicidade do virus. A PV-1 é a forma máis común que se encontra na natureza, pero as tres formas son extremadamente infecciosas. En marzo de 2020, a PV-1 salvaxe ou silvestre estaba moi localizada en rexións de Paquistán e Afganistán. A PV-2 salvaxe foi declarada erradicada en setembro de 2015 despois de ser detectada por última vez en 1999, mentres que a PV-3 salvaxe foi declarada erradicada en 2019 despois de detectarse por última vez en 2012.