Animal delta-like viruses (Kolmioviridae: Deltavirus) and the origin of the human hepatitis D virus (HDV)

Full Text

Введение

Вирус гепатита D (дельта, δ) (Deltavirus italiense; hepatitis D virus, HDV), вызывающий у лиц, коинфицированных вирусом гепатита В (Нepadnaviridae; Orthohepadnavirus: Hepatitis B virus) (HBV), тяжёлый быстро прогрессирующий гепатит, открыт более 40 лет назад [1]. Хронический вирусный гепатит D ассоциирован с ускоренным прогрессированием в цирроз печени, гепатоцеллюлярную карциному и является в настоящее время наиболее трудно поддающимся терапии заболеванием печени вирусной природы [2]. По расчётным данным, коинфекцию HDV имеют примерно 5% инфицированных HBV [3]. HDV выделен в род Deltavirus, не отнесённый пока ни к одному семейству [4], и характеризуется самыми малыми размерами среди известных РНК-вирусов человека. Геном вируса имеет ряд отличительных особенностей и представлен ковалентно замкнутой кольцевой одноцепочечной РНК отрицательной полярности, образующей вироидоподобную самокомплементарную неразветвлённую палочковидную структуру длиной 1700 п.н. [5]. Отличительная черта как HDV, так и вироидов – репликация РНК по принципу катящегося кольца, важным этапом которой является саморазрезание с помощью рибозима, кодируемого геномной и антигеномной вирусными РНК [6]. Геном HDV кодирует единственный белок – дельта-антиген (HDAg, δAg), участвующий в репликации и формировании рибонуклеокапсида вируса [7].

Проблема происхождения и распространения HDV в человеческой популяции на сегодняшний день остаётся нерешённой. До недавнего времени отсутствовали данные о существовании каких-либо вирусов, подобных HDV человека. Это оказало большое влияние на теории его возникновения и эволюции [8][9]. Ещё в 1996 г. обсуждался вопрос о том, что капсидный белок HDV (HDAg) имеет сходство последовательностей с человеческими белками [10]. В 2006 г. K. Salehi-Ashtiani и соавт. предположили, что этот вирус, возможно, возник как ускользнувший человеческий ген [11]. Была также предложена гипотеза о том, что рибозим HDV произошёл от интрона в гене белка 3, связывающего цитоплазматический элемент полиаденилирования человека, либо от кольцевой клеточной РНК, найденной в гепатоцитах [5]. Однако обнаружение в последние годы последовательностей новых дельта-подобных вирусов у широкого спектра видов позвоночных (Vertebrata) и беспозвоночных (Invertebrata) [12] позволило пересмотреть взгляды на происхождение HDV и способствовало пониманию места этого уникального микроорганизма среди зоонозных вирусных патогенов. Целью настоящей работы явился анализ недавно опубликованных данных, посвящённых новым HDV-подобным вирусам и их биологической характеристике.

Дельта-подобные вирусы животных

Первым шагом на пути к изучению разнообразия дельтавирусов (ДВ) стало открытие HDV-подобных вирусов у птиц (Aves) в 2018 г. [9] и змей (Serpentes) в 2019 г. [13]. M. Wille и соавт. проанализировали данные, полученные при анализе смешанных образцов из ротоглоток и клоак уток (Anatinae). Эти образцы были отобраны в 2012–2013 гг. при отлове водоплавающих птиц Австралии. В результате методом сборки полноразмерного транскриптома на основании данных секвенирования РНК (RNA-Seq) без использования эталонного генома получены 15 последовательностей РНК HDV-подобного вируса птиц (avHDV). Авторы представили сравнительные характеристики геномов этого вируса и HDV человека, продемонстрировав сходства и различия в их строении. Этими же исследователями высказана гипотеза о возможности непарентеральной передачи avHDV. Важно отметить, что в наборе последовательностей, содержащем его геном, отсутствовали таковые ортогепаднавируса (Hepadnaviridae; Orthohepadnavirus) уток, который, исходя из аналогии с HDV человека и HBV, представлялся необходимым в качестве вируса-помощника для дельта-вируса птиц.

U. Hetzel и соавт. открыли HDV-подобный вирус у змей (sHDV) [13]. В качестве образцов для исследования были взяты мозг, кровь и печень пары удавов (Boa constrictor) и их потомства, а также водяного питона (Liasis) из той же колонии змей. Установлено, что РНК sHDV длиной 1711 п.н. имеет кольцевую структуру, напоминающую таковую HDV человека. Аминокислотная последовательность антигена sHDV (sHDAg) имела 55 и 37% сходства с антигенами HDV (HDAg) и avHDV (avHDAg) соответственно. Доказательством активной репликации вновь открытого вируса послужили следующие данные: вирусная РНК определялась в различных количествах в разных тканях; вирус обнаруживался у некоторых, но не у всех потомков (вертикальная передача <100%); уровень экспрессии sHDAg варьировал в положительных клетках, при этом экспрессия sHDAg наблюдалась не в каждой клетке; большая (L-) и малая (S-) формы sHDAg присутствовали в печени, но только L-sHDAg определялся в головном мозге. Обнаружение авторами РНК sHDV у потомства водяного питона, содержавшегося вместе с инфицированными удавами, позволило сделать предположение как о вертикальной, так и о горизонтальной передаче вируса.

Новые дельта-подобные вирусы позвоночных и беспозвоночных описали в 2019 г. W. Chang и соавт. [12]. Они провели скрининг на HDV-подобные вирусные последовательности в обеднённых рибосомальной РНК (рРНК) библиотеках полученных ранее комплементарных ДНК (кДНК) амфибий (Amphibia), рыб (Pisces), рептилий (Reptilia) и беспозвоночных [14][15]. Все идентифицированные последовательности образовывали самокомплементарные неразветвлённые палочковидные структуры. Поиск консервативных доменов продемонстрировал, что предсказанные дельта-антигены в HDV-подобных вирусах тритона (Lissotriton) (amHDAg), жабы (Bufonidae) (tfHDAg), рыб (fiHDAg) и термитов (Isoptera) (tHDAg) кодировали белки из 225, 186, 180 и 184 а.о. соответственно.

В 2021 г. список HDV-подобных вирусов ещё более расширился; M. Iwamoto и соавт. идентифицировали новые дельта-вирусы у воробьиных (Passeridae), сурков (Marmota) и белохвостых оленей (Odocoileus virginianus) с помощью метатранскриптомного анализа [16]. Всего авторами описано 5 вирусов – tgDeV (вирус зебровой амадины (Taeniopygia guttata)), scDeV (вирус домашней канарейки (Serinus canaria)), egDeV (вирус гульдовой амадины (Erythrura gouldiae)), mmDeV (вирус восточного сурка (Marmota monax)) и ovDeV (вирус белохвостого оленя). Кроме того, подобные tgDeV последовательности идентифицированы этой же группой исследователей ещё у нескольких представителей семейства воробьиных: черноголовой овсянки (Emberiza melanocephala) и желтобрюхой синицы (Pardaliparus venustulus). Последовательности tgDeV, mmDeV и ovDeV, содержащие ~1700 п.н., кодировали одну открытую рамку считывания с последовательностью и были на 36,0–66,7% идентичны аналогичной структуре генов HDAg. Авторами установлено, что глубина считывания предсказанных транскрибируемых областей (участков, кодирующих HDAg) оказалась намного большей по сравнению с другими геномными участками, что указывает на происхождение большинства прочтений вирусного генома из матричных РНК (мРНК) вирусов. Эти данные являются косвенным подтверждением того, что новые ДВ реплицируются в своих хозяевах.

Выполненный исследователями филогенетический анализ нуклеотидных последовательностей HDV человека и новых HDV-подобных вирусов опроверг первоначальное предположение о длительной коэволюции ДВ и их хозяев [16]. Так, нуклеотидные последовательности tgDeV, выделенные от разных видов воробьиных, отделившихся от общего предка свыше 40 млн лет назад, оказались схожими между собой более чем на 98%. Для дельта-вирусов млекопитающих (Mammalia) также показано несоответствие топологии филогенетических деревьев с эволюцией предполагаемых видов-хозяев. В частности, выявленный у оленей вирус ovDeV оказался наиболее близким человеческому HDV, а обнаруженный у сурков mmDeV продемонстрировал значительную эволюционную дистанцию от другого ДВ, выделенного ранее S. Paraskevopoulou и соавт. у грызунов (Rodentia) [17]. Приведённые факты указывают на вероятную передачу ДВ среди разных видов животных и их эволюцию в результате межвидового перехода.

Таким образом, к настоящему времени описано значительное количество вирусов, подобных HDV человека. Это привело к необходимости классифицировать их. В результате P. Walker с соавт. предложили выделить новое семейство Kolmioviridae, включающее в себя род Deltavirus и 7 новых родов, содержащих 15 видов [18].

Биологические свойства новых дельта-подобных вирусов

Следует отметить, что новые HDV-подобные вирусы выявляются не только в печени. Они обнаружены одновременно в различных органах и в крови животных; продемонстрирована их способность реплицироваться в клетках разных типов [19]. По-видимому, ДВ способны инфицировать различные ткани, а также вызывать системную инфекцию и виремию. Кроме того, для змеиного sHDV показана возможность репликации в организме млекопитающих [19], а для вирусов tgDeV и mmDeV – в клетках человека [16]. В таблице представлены характеристики геномов известных в настоящее время дельта-подобных вирусов в сравнении с геномом HDV человека.

Для всех выявленных к настоящему времени геномных последовательностей HDV-подобных вирусов характерны черты, присущие HDV человека – одноцепочечная РНК длиной 1500–1700 п.н., кольцевая палочковидная структура, самокомплементарность, наличие одной открытой рамки считывания, кодирующей δAg, и присутствие последовательности, ответственной за кодирование рибозима. Первоначально HDV-подобные рибозимы были описаны только у ДВ амниот (Amniota) [9][13][17], но не у вирусов амфибий, рыб и беспозвоночных [12]. Однако позднее M. de la Peña и соавт. обнаружили характерные для HDV последовательности рибозимов у ДВ тритонов и рыб [20]. Кроме того, у HDV-подобных вирусов жаб и термитов этой группой авторов описаны рибозимы другого типа (hammerhead-рибозимы III типа), характерные для растений и их вироидов. Полученные в условиях in vitro транскрипты последовательностей, кодирующих предполагаемые рибозимы, продемонстрировали способность к самонарезанию, что подтвердило функциональность обнаруженных мотивов. Таким образом, у всех описанных к настоящему времени HDV-подобных вирусов установлено наличие рибозимов.

Для HDV человека характерно наличие 2 форм HDAg – малой (S-HDAg с молекулярной массой 24 кДа) и большой (L-HDAg, 27 кДа). Обе они транслируются с одной мРНК, при этом L-HDAg синтезируется в результате редактирования клеточным белком ADAR1 стоп-кодона, заменяемого на кодон триптофана (Trp, W). Дополнительные 19 аминокислотных остатков на C-конце L-HDAg содержат сайт пренилирования, необходимый для связывания с поверхностным белком HBV [21]. В отличие от HDV человека у большинства дельта-подобных вирусов, в т.ч. наиболее эволюционно близкого человеческому HDV ДВ оленя (ovDeV), не обнаружено редактирование РНК, приводящее к образованию L-HDAg, способного связываться с поверхностными белками гепаднавирусов (Hepadnaviridae) [9][15–17].

Возможные вирусы-помощники новых дельта-подобных вирусов

Для сборки, репликации и инфицирования in vivo HDV человека необходима обязательная вспомогательная функция, обеспечиваемая поверхностными белками HBV, которые формируют внешнюю оболочку рибонуклеопротеина HDV [22]. При этом HBV не является единственным вирусом, белковые структуры которого могут использоваться человеческим HDV при формировании инфекционной вирусной частицы, по крайней мере в условиях эксперимента. Эту функцию способны выполнять поверхностные белки другого гепаднавируса – вируса гепатита сурков (WHV), что обеспечивает возможность экспериментальной коинфекции HDV/WHV [23]. Более того, в опытах in vitro показано, что белки оболочки вирусов из нескольких родов, включая везикуловирусы (Vesiculoviridae), флавивирусы (Flaviviridae) и гепацивирусы (Hepaciviridae), могут образовывать внешнюю оболочку рибонуклеопротеина HDV, обеспечивать успешную продукцию его вирионов в коинфицированных клетках и последующее проникновение в клетки, экспрессирующие соответствующие рецепторы [24].

До настоящего времени не обнаружено какой-либо связи между HDV-подобными вирусами животных и гепаднавирусами. Несмотря на то что ассоциация с HBV считается ключевым явлением в биологии HDV человека, ни один из недавно описанных ДВ не выявлен в связи с коинфекцией гепаднавирусами. Даже ДВ сурков (mmDeV) был обнаружен у животных, не имевших инфекции WHV, что исключает возможность функционирования данного агента в качестве вируса-помощника [16]. Вместо этого ряд последовательностей других вирусов обнаружен в соответствующих библиотеках, где присутствовали последовательности ДВ. Так, с последовательностями HDV-подобного вируса рыб оказались ассоциированными аренавирусы (Arenaviridae), хантавирусы (Hantaviridae) и реовирусы (Reoviridae); астровирусы (Astroviridae) присутствовали в библиотеках, содержащих последовательности HDV-подобного вируса тритонов, а вместе с последовательностями ДВ жабы были идентифицированы таковые вируса гриппа (Orthomyxoviridae: Influenzavirus) и астровируса [15]. Содержащие последовательности ДВ термитов библиотеки также включали множество других вирусных агентов (таких как вирусы, подобные вирусу Мононега–Чу (Mononega–Chu-like viruses); вирус, подобный вирусу Нарна–Леви (Narna–Levi-like virus); флавиподобный вирус), в отношении которых в настоящее время проводятся углублённые исследования [12]. Пока неизвестно, способствуют ли какие-либо из них процессу репликации новых HDV-подобных вирусов. U. Hetzel и соавт. показали, что белки оболочки 2 вирусов – рептаренавируса (Reptarenavirus) и хартманивируса (Hartmanivirus) (но не гепаднавируса) придают инфекционность ДВ змеи (sHDV) [13]. Для других ДВ животных вирусы-помощники пока не установлены. Не исключается и возможность того, что некоторые HDV-подобные вирусы не нуждаются в присутствии вирусов-помощников, осуществляя выход из клетки и вход в неё через неизвестные пока механизмы либо используя для этого внеклеточные везикулы.

Таким образом, гепаднавирусы не служат в качестве вспомогательных агентов для отличных от HDV человека ДВ, и взаимоотношения дельтавирус–гепаднавирус, по-видимому, сформировались уже после отделения человеческого HDV от линии ДВ животных.

Происхождение HDV человека

Накопленные к настоящему времени данные свидетельствуют, что HDV человека входит в довольно обширную группу ДВ и, очевидно, произошёл от ДВ млекопитающих. В то же время эволюция представителей рода Deltavirus намного сложнее, чем считалось ранее, и не всегда является результатом параллельного развития вируса и хозяина. Различия в топологии филогенетических деревьев макроорганизмов и ДВ позволяют считать, что межвидовые переходы являются значимой движущей силой в эволюции последних. На основании имеющихся на сегодняшний день сведений невозможно предположить, от какой именно группы животных человек приобрёл HDV. ДВ до сих пор не обнаружены у приматов (Primates), в т.ч. у человекообразных (Hominoidea s. Anthropomorphidae), что указывает на вероятность возникновения HDV в результате смены хозяина [25]. Наиболее эволюционно близкими человеческому HDV из известных в настоящее время являются ДВ оленя, сурка и летучей мыши вампира (Desmodus rotundus) [26], однако нельзя исключить возможность возникновения данного вируса при заражении человека неизвестными ДВ млекопитающих, филогенетически расположенными между этими вирусными линиями.

Заключение

Таким образом, открытие ДВ животных позволило определить место HDV среди РНК-содержащих вирусов и предположить, что этот уникальный микроорганизм был приобретён человеком в результате межвидового перехода. Вместе с тем понимание возникновения и эволюции HDV до настоящего времени крайне ограничено. Очевидно, открытие значительного числа новых ДВ позволит получить дополнительные знания об эволюционной биологии этой таксономической группы.

About the authors

O. V. Isaeva

FSBSI «I.I. Mechnikov Research Institute of Vaccines and Sera»; FSBEI FPE «Russian Medical Academy of Continuous Professional Education» of the Ministry of Health of Russia

Author for correspondence.
Email: isaeva.06@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2656-3667

Ol’ga V. Isaeva, Ph.D. (Biol.), Lead Researcher of the Viral Hepatitis Laboratory; Lead Researcher of the Molecular and Personalized Medicine Research Institute

105064, Moscow, Russia

125993, Moscow, Russia

Россия

K. K. Kyuregyan

FSBSI «I.I. Mechnikov Research Institute of Vaccines and Sera»; FSBEI FPE «Russian Medical Academy of Continuous Professional Education» of the Ministry of Health of Russia

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-3599-117X

105064, Moscow, Russia

125993, Moscow, Russia

Россия

M. I. Mikhailov

FSBSI «I.I. Mechnikov Research Institute of Vaccines and Sera»; FSBEI FPE «Russian Medical Academy of Continuous Professional Education» of the Ministry of Health of Russia

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-6636-6801

105064, Moscow, Russia

125993, Moscow, Russia

Россия

References

Supplementary files