การแสดงออกของยีนไวรัสและการสังเคราะห์โปรตีน

เมื่อจีโนมของไวรัสเข้าสู่เซลล์ ไวรัสจะต้องสร้างสารพันธุกรรมอาร์เอ็นเอ (messenger RNA) และแปลรหัสเป็นโปรตีน วิธีการที่ไวรัสทำเช่นนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของจีโนม: ไวรัสบางชนิดถูกอ่านโดยตรงโดยไรโบโซมของเซลล์เจ้าบ้าน ในขณะที่บางชนิดต้องถูกถอดรหัสก่อน และหลายชนิดนำเอนไซม์ของตนเองมาเพื่อสร้างและปรับเปลี่ยน mRNA ของพวกมัน เนื่องจากไวรัสไม่มีไรโบโซม พวกมันทั้งหมดจึงต้องพึ่งพากลไกการแปลรหัสของเซลล์เจ้าบ้านในท้ายที่สุด

Definition

การแสดงออกของยีนไวรัสคือการผลิตสารพันธุกรรมอาร์เอ็นเอ (messenger RNA) และโปรตีนของไวรัสที่ถูกควบคุม ซึ่งครอบคลุมการถอดรหัสหรือเส้นทางอื่นๆ ไปสู่ mRNA การปรับเปลี่ยน mRNA และการแปลรหัสโปรตีนของไวรัสบนไรโบโซมของเซลล์เจ้าบ้าน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการผลิต mRNA ของไวรัส (การถอดรหัส ในกรณีที่จำเป็น) การปรับเปลี่ยนต่างๆ เช่น การเติมแคป (capping) ที่ช่วยให้เซลล์จดจำ mRNA ได้ โปรแกรมเวลาของการแสดงออกของยีนช่วงต้นและช่วงปลาย และการแปลรหัสโปรตีนของไวรัสบนไรโบโซมของเซลล์เจ้าบ้าน รวมถึงกลยุทธ์ที่ช่วยให้ mRNA ของไวรัสแข่งขันกับข้อความของเซลล์ได้ นี่คือเอกสารอ้างอิงและสื่อการศึกษา ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Core questions

• ไวรัสสร้าง messenger RNA ที่ไรโบโซมของเซลล์เจ้าบ้านจะจดจำและแปลรหัสได้อย่างไร?
• การแสดงออกของยีนไวรัสถูกจัดลำดับตามเวลาเป็นระยะช่วงต้นและช่วงปลายได้อย่างไร?
• ไวรัสเปลี่ยนเส้นทางกลไกการแปลรหัสของเซลล์เจ้าบ้านไปสู่ข้อความของพวกมันเองได้อย่างไร?

Key concepts

• ชนิดของจีโนมเป็นตัวกำหนดเส้นทางสู่ mRNA
• อาร์เอ็นเอพอลิเมอเรสที่เข้ารหัสโดยไวรัส
• การเติมแคป mRNA และการจดจำโดยกลไกการแปลรหัส
• โปรแกรมเวลา: การแสดงออกของยีนช่วงต้น (ควบคุม) และช่วงปลาย (โครงสร้าง)
• การแปลรหัสที่ขึ้นกับแคป (Cap-dependent translation) และตำแหน่งการเข้าของไรโบโซมภายใน (IRES)
• การปิดการทำงานของเซลล์เจ้าบ้าน (Host shut-off) และการแข่งขันเพื่อไรโบโซม
• การประมวลผลโพลีโปรตีนโดยโปรตีเอสของไวรัส

Mechanisms

เส้นทางสู่ messenger RNA ถูกกำหนดโดยจีโนม อาร์เอ็นเอสายบวก (Positive-strand RNA) สามารถถูกแปลรหัสได้โดยตรง; อาร์เอ็นเอสายลบ (negative-strand RNA) และไวรัสอาร์เอ็นเอสายคู่ (double-stranded RNA) มีพอลิเมอเรสของตนเองเพื่อถอดรหัส mRNA; ไวรัสดีเอ็นเอ (DNA viruses) โดยทั่วไปจะถูกถอดรหัสโดยพอลิเมอเรสของเซลล์เจ้าบ้านหรือของไวรัส; และเรโทรไวรัส (retroviruses) จะรวมสำเนาดีเอ็นเอที่ถูกถอดรหัสในภายหลัง เพื่อให้ถูกแปลรหัสได้อย่างมีประสิทธิภาพ mRNA ของไวรัสโดยทั่วไปมักจะต้องมี 5' แคป (5' cap) และคุณสมบัติอื่นๆ ที่เซลล์จดจำได้ และไวรัสหลายชนิดเข้ารหัสหรือยืมเอนไซม์ที่เติมแคป บางครั้งโดยใช้เคมีที่แปลกใหม่ การแสดงออกมักจะถูกจัดลำดับตามเวลา โดยยีนช่วงต้น (early genes) เข้ารหัสโปรตีนควบคุมและการจำลองแบบ และยีนช่วงปลาย (late genes) เข้ารหัสส่วนประกอบโครงสร้าง การแปลรหัสเกิดขึ้นบนไรโบโซมของเซลล์เจ้าบ้านผ่านขั้นตอนการยืดตัว การสิ้นสุด และการรีไซเคิลแบบเดียวกับที่ใช้สำหรับข้อความของเซลล์ และไวรัสใช้กลยุทธ์ต่างๆ เช่น ตำแหน่งการเข้าของไรโบโซมภายใน (internal ribosome entry sites) การยับยั้งการแปลรหัสของเซลล์เจ้าบ้าน หรือการประมวลผลโพลีโปรตีน (polyprotein processing) เพื่อให้แน่ใจว่าโปรตีนของพวกมันถูกสร้างขึ้น

Clinical relevance

เอนไซม์เฉพาะของไวรัสในการแสดงออกของยีน เช่น พอลิเมอเรสและเอนไซม์เติมแคป มีความแตกต่างจากเอนไซม์ที่เทียบเท่าของเซลล์เจ้าบ้าน ดังนั้นจึงเป็นเป้าหมายสำหรับยาต้านไวรัส ข้อมูลนี้อธิบายชีววิทยาระดับโมเลกุลพื้นฐานในระดับแนวคิดสำหรับการอ้างอิงและการศึกษา ไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการสั่งยา การเลือกยา หรือการดูแลผู้ป่วยรายบุคคล

History

การตระหนักในปี 1970 ว่าไวรัสที่แตกต่างกันไปถึงความต้องการร่วมกันในการสร้าง mRNA ด้วยเส้นทางที่แตกต่างกันนั้นเป็นพื้นฐานของการจำแนกประเภทบัลติมอร์ (Baltimore classification) และเป็นกรอบการศึกษาการแสดงออกของยีนไวรัส งานวิจัยระดับโมเลกุลในภายหลังได้ระบุลักษณะของพอลิเมอเรสและเอนไซม์เติมแคปที่เข้ารหัสโดยไวรัส กำหนดโปรแกรมเวลาช่วงต้น-ช่วงปลายของไวรัสหลายชนิด และค้นพบการแปลรหัสที่ไม่ขึ้นกับแคปผ่านการเข้าของไรโบโซมภายใน (internal ribosome entry) ซึ่งเผยให้เห็นว่าไวรัสควบคุมกลไกการสังเคราะห์โปรตีนของเซลล์เจ้าบ้านได้อย่างไร

Key figures

• David Baltimore
• Bruno Canard
• Thomas Dever
• Rachel Green

Seminal works

• decroly-2012
• dever-green-2012

Frequently asked questions

ทำไมไวรัสบางชนิดจึงนำพอลิเมอเรสของตนเองเข้าสู่เซลล์?

เซลล์เจ้าบ้านไม่สามารถถอดรหัสจีโนมของไวรัสบางชนิดได้ เช่น อาร์เอ็นเอสายลบหรืออาร์เอ็นเอสายคู่ ดังนั้นไวรัสเหล่านั้นจึงบรรจุพอลิเมอเรสไว้ในอนุภาคไวรัส (virion) เพื่อสร้าง messenger RNA ชุดแรกเมื่อพวกมันเข้าสู่เซลล์

ถ้าไวรัสไม่มีไรโบโซม โปรตีนของพวกมันถูกสร้างขึ้นได้อย่างไร?

ไวรัสทุกชนิดต้องพึ่งพาไรโบโซมของเซลล์เจ้าบ้านในการแปลรหัส messenger RNA ของพวกมัน; ไวรัสจัดหา mRNA และมักจะมีกลยุทธ์ที่จะส่งเสริมมัน แต่การสังเคราะห์โปรตีนนั้นดำเนินการโดยเซลล์เอง