Papillomavirus Replication Machinery Induces Genomic Instability in its Host Cell

Abstract

Genetic information in metazoan cells is stored in condensed chromatin, which protects the DNA from damage. However, when this information needs to be accessed, the secured DNA is decondensed as the double helix itself is opened. It is during DNA replication that DNA is the most vulnerable and therefore genomic duplication is highly orchestrated; it is carefully planned during the G1 phase, precisely executed in the S-phase, and all the mistakes are eliminated in the S- and G2 phases before mitosis. The whole process is closely guarded by cellular control factors that intervene immediately at the slightest deviation from the plan. Papillomaviruses are endogenous parasites that do not require the same kind of fidelity as metazoan cells and can afford some inaccuracy while replicating their small circular double stranded DNA (dsDNA) genome. They have evolved systems either to overrun the cellular defenses and to replicate their genome mul­­tiple times per cell cycle or to mimic cellular DNA replication by re­plicating approximately once per cell cycle. In either case, the genomic integrity of the host cell is not jeopardized during the normal viral life cycle. However, the human papillomavirus (HPV) is occasionally integrated into the host genome. The mechanism of viral integration is currently unknown, but the current work demonstrated that the inability to precisely replicate its DNA once per cell cycle makes the HPV act like a Trojan horse while inside the host genome. If not correctly regulated, it will not only end the viral life cycle, but it can also cause the death of the host by causing chromosomal instability, which may lead to cancer. Normaalselt kulgeva viiruse elutsükli korral püsib inimese papilloomiviiruse (HPV) genoom latentselt nakatunud rakkudes episomaalse multikoopialise plasmii­dina. Samas on aga avastatud, et enamuses emakakaelavähi rakkudes on osa viiruse DNAst, mis sisaldab viiruse replikatsiooni alguspunkti ning E6 ja E7 avatud lugemisraame, integreerunud peremeesraku genoomi. Lisaks on tões­tatud, et HPV integratsiooni käigus läbitakse etapp, kus plasmiidne ja integree­runud HPV DNA eksisteerivad ühtedes rakkudes. Seega on võimalik, et vähi­tekkeni viinud geneetilised ümberkorraldused on vähemalt osaliselt saanud alguse integreeritud HPV DNA re-replikatsioonist, mis algatati plasmiidselt HPV-lt ekspresseeritud viiruse replikatsioonivalkude vahendusel. Käesolevas töös näidati esmalt veise papilloomiviiruse tüüp 1 (BPV1) ja p53 valgu näitel, et papilloomiviirustel on potentsiaali varjata oma genoomi re-replikatsiooni toimumist rakuliste kontrollmehhanismide eest. Järgnevalt demonst­reeriti, et HPV valgud E1 ja E2 on võimelised algatama DNA replikat­siooni ka integreeritud HPV-lt ning, et see viib madalmolekulaarsete DNA molekulide, muulhulgas ekstrakromosomaalsete plasmiidide, tekkeni. Lisaks selgus, et integreerunud HPV-lt alguse saanud DNA replikatsioon ulatub ka ümbritsevate rakuliste järjestusteni ning, et see viib teatud ümberkorraldusteni raku genoomis. Antud töös tuvastati nii HPV integratsioonilookuse duplikat­sioon kui ka kromosoomide vaheline translokatsioon. Immuno­fluorestsents­analüüsi ja immunosadestamise tulemused näitasid, et integreeritud HPV repli­kat­siooni poolt tekitatud DNA katkete likvideerimiseks aktiveeritakse rakulised DNA reparatsiooni faktorid. Kokkuvõttes võib järeldada, et integreeritud papilloomiviiruse DNA replikat­­sioon ning sellele vastuseks peremeesraku poolt käivitatud DNA repa­ratsioon võivad viia geneetilise ebastabiilsuseni ja vähkkasvaja tekkeni.