УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2012, том 132, № 2, с. 115-140
УДК 578:57.02:57:05
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПАТОГЕНЕЗА ВИЧ-ИНФЕКЦИИ
© 2012 г. В. А. Черешнев1, С. И. Бажан2, Б. А. Бахметьев3, И. А. Гайнова4, Г. А. Бочаров5
1 Институт иммунологии и физиологии УрО РАН, Екатеринбург 2ГНЦвирусологии и биотехнологии "Вектор", пос. Кольцово, Новосибирская обл.
3 Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, Пермь
4 Институт математики им. С.Л. Соболева СО РАН, Новосибирск
5Институт вычислительной математики РАН, Москва E-mail: bocharov@inm.ras.ru
Проанализированы современные представления о фундаментальных процессах, определяющих динамику и исход взаимодействия ВИЧ с организмом человека. Рассмотрены молекулярно-био-логические механизмы репликации ВИЧ, иммунологические процессы при ВИЧ-инфекции и системные отклонения эндокринной регуляции иммунофизиологических процессов организма. Накопленные к настоящему времени представления об особенностях ВИЧ-1 инфекции и реакциях физиологических систем человека свидетельствуют о том, что механизмы патогенеза ВИЧ инфекции являются многофакторными и опосредуются большим числом процессов с положительными и отрицательными обратными связями.
Ключевые слова: ВИЧ-инфекция, системный анализ, изменчивость ВИЧ-1, иммунные реакции, иммунодефицит, нейроэндокринные нарушения, патогенез, мишени противовирусных препаратов.
ВВЕДЕНИЕ
С момента открытия в 1982 г. этиологического фактора синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД), вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), были инфицированы более 60 млн. человек, из которых скончалось около половины [63]. Инфекция, вызванная вирусами иммунодефицита человека ВИЧ-1 типа, представляет собой системное заболевание. Неудачи в создании вакцины против ВИЧ в очередной раз подтвердили необходимость продолжения фундаментальных исследований по изучению особенностей репликации вируса, регуляции иммунофизиологических реакций и реализации механизмов патогенеза при ВИЧ-инфекции в рамках новых междисциплинарных подходов [127].
Патогенез - это совокупность процессов, определяющих возникновение, развитие и исход инфекционного заболевания организма хозяина. Механизмы патогенеза определяют течение болезни на различных уровнях анализа функционирования организма: от молекулярных и клеточных процессов до отдельных органов и взаимосвязанных физиологических систем. В случае ВИЧ-инфекции взаимодействие возбудителя и хозяина пред-
ставляет собой сложное динамическое явление, в реализацию которого, так или иначе, вовлекаются практически все системы организма, хотя их роль в развитии ВИЧ-инфекции неравноценна. Стремительное накопление данных по отдельным аспектам патогенеза и иммунологии ВИЧ-инфекции способствует формированию интегративного системного понимания механизмов патогенеза заболевания и выяснению коррелятов (факторов) защиты при ВИЧ-инфекции. Цель данного обзора - изложение современных представлений о фундаментальных процессах, определяющих динамику и исход взаимодействия ВИЧ с организмом человека, таких как молекулярно-биологические механизмы репликации ВИЧ, иммунологические процессы при ВИЧ-инфекции и изменение эндокринной регуляции иммунофизиологических процессов организма.
СТРОЕНИЕ И РЕПЛИКАЦИЯ ВИЧ-1 Геном ВИЧ-1
Вирус иммунодефицита человека принадлежит к семейству ретровирусов. Геном ВИЧ-1 имеет размер около 104 пар нуклеотидов и содержит гены, кодирующие структурные белки Gag, Pol
Геномная РНК
R U5k
gag
-tat I —rev---|
a
■ШЗ R
nef
I pl7-p24-p9-p6 I pol
gpl20-gp41
|U3| R |U5|-
Pro-RT-RNaseH-IN | [vpr| |vpu|
1из| R|U5|
Провирус
|| геномная РНК Ç gpl20 + gp41
® матриксный белок (MA, pl7)
# капсид (CA, p24)
a P6
О нуклеокапсид (NC, p9)
# интеграза (IN, p31)
Q обратная транскриптаза (RT, p66/51) g протеаза (Pro, plO) e рибояуклсаза H (RNase H,pl5) A Vpr (pl5) 0 Nef
# Vif(p23)
S ïa' Ф^Л белки, не входящие в W Rev (р19) h , ^^
kVpu J
состав вириона
Рис. 1. Генетическая организация вируса ВИЧ-1. Геном вируса содержит гены, ответственные за синтез белков, выполняющих структурные, ферментативные и регуляторные функции.
и Nef и несколько регуляторных белков Tat, Rev, Vpr, Vpu и Vif (рис. 1) [175].
Gag. Продукт гена gag - белок Gag (или p55), является белком предшественником с молекулярной массой 55 кДа и подвергается процессингу вирусной протеазой, в результате чего образуются четыре белка меньшего размера: MA (матрикс, p17), CA (капсид, p24), NC (нуклеокапсид, p9) и белок p6.
Gag-Pol. Вирусная протеаза (Pro), интеграза (IN), RNase H и обратная транскриптаза (RT) всегда экспрессируются в виде предшественника, слитого белка Gag-Pol. Gag-Pol предшественник (p 160) образуется в результате сдвига рибосо-мальной рамки считывания. В процессе вирусного созревания протеаза ВИЧ-1 отрезает белок Pol от Gag и в дальнейшем нарезает Pol на протеазу Pro (p10), обратную транскриптазу RT (p66/51), RNase H (p15) и интегразу IN (p31).
Env. Белок-предшественник Env (gp160) экс-прессируется с единственной сплайсированной мРНК. После расщепления клеточной протеазой из белка-предшественника образуются два глико-протеина - gp41 и gp120. gp41 имеет трансмембранный "якорь", при помощи которого удерживается на поверхности мембраны вириона. gp120 "залипает" на gp41 благодаря нековалентным взаимодействиям. На поверхности инфицированных клеток gp120 представлен в виде тримера.
Tat (Transcriptional Activator, p14) связывает TAR (trans-activation response) элемент, является
активатором транскрипции и требуется для репликации вирусного генома.
Rev (Regulator of Viral Gene Expression, p19) обладает сродством к одноцепочечной РНК, связывает RRE (Rev response element), ингибирует сплайсинг вирусной РНК и усиливает ядерный экспорт несплайсированных вирусных РНК. Участвует в переключении экспрессии генов ВИЧ-1 с ранней на позднюю фазу. Абсолютно необходим для образования вирионов.
Nef (negative factor) - миристилированный ранний белок 27 кДа. Показано, что Nef уменьшает поверхностную экспрессию молекул MHC I на поверхности CD4 лимфоцитов, блокирует апопо-птоз, усиливает инфекционность ВИЧ-1.
Vpr (Viral Protein R, p15). Около 100 копий этого белка ассоциировано с каждым вирионом ВИЧ-1. Основная роль этого белка состоит в том, что он способствует инфицированию неделящих-ся клеток, в том числе макрофагов. Входит в пре-интегральный комплекс (PIC).
Vpu (Viral Protein U, 16 кДа) является фос-фопротеином, локализованным на внутренней поверхности мембраны клетки. Описаны две функции белка: модулирование действия CD4 и усиление высвобождения вирионов [157].
Vif (Viral Infectivity Factor, p23) - полипептид, необходимый вирусу для репликации в периферических лимфоцитах, макрофагах и некоторых клеточных линиях [174].
5'-концевой и 3'-концевой участки геномной РНК ВИЧ-1 содержат последовательность "R" (repeat - повтор) с примыкающими к ним областями U5 и U3, соответственно.
Структура ВИЧ-1
На рис. 1 схематично показано строение вириона ВИЧ-1. Зрелый вирион ВИЧ-1 содержит конусообразный капсид, состоящий из белка p24 [175]. Внутри капсида находятся две молекулы одноцепочечной РНК, связанные с нуклеокап-сидным белком p9, и продукты процессинга гена pol - обратная транскриптаза (ревертаза), протеаза и интеграза. С капсидом также ассоциированы белки Nef и Vif. Снаружи от капсида расположены матриксный белок (p17) и белок Vpr. Оболочка вируса представляет собой фосфолипидный бислой, содержащий гликопротеины gp120 и gp41, образованные из предшественника gp160. Трансмембранный гликопротеид внешней оболочки (gp41) погружен в липидный бислой. Его наружный домен нековалентно связан с поверх-
ностным гликопротеидом (gp120). Оболочечные гликопротеины представлены ди- и тетра-мерами. Белок gp120 является ключевым в обеспечении связывания вируса с рецептором Т-лимфоцита.
Кроме вирусных белков вирион ВИЧ-1 содержит также несколько макромолекул клетки-хозяина, которые захватываются в ходе сборки и почкования вируса [7]. Некоторые из этих молекул играют ключевую роль в репликации вируса. В частности, вирусный капсид содержит клеточную лизиновую транспортную РНК (тРНК-lys), которая служит праймером для обратной транскрипции вирусной РНК, осуществляемой вирусной обратной транскриптазой. К клеточным белкам, ассоциированным с вирионом, относятся циклофилин A, который непосредственно связан с капсидным белком и, по-видимому, играет важную роль в патогенности вируса, а также антигены HLA I и II классов и молекулы адгезии LFA-1 и ICAM-1.
Жизненный цикл вируса ВИЧ-1
Основные этапы внутриклеточного размножения ВИЧ-1 в чувствительных клетках и реализующие их процессы представлены на рис. 2.
Связывание ВИЧ-1 с рецепторами иммунных клеток и проникновение ВИЧ-1 в клетку. Жизненный цикл вируса начинается с момента прикрепления вирусного белка gp120 к молекуле CD4 на поверхности Т-лимфоцита (рис. 2) [50]. Молекулы CD4 - основной рецептор ВИЧ-1 - в основном, обнаруживаются на Т-лимфоцитах-хелперах. Кроме того, данный рецептор также обнаруживается на поверхности предшественников T-лим-фоцитов в костном мозге и тимусе, моноцитов, макрофагов эозинофилов, дендритных клеток, а также клеток микроглии ЦНС. Связывание gp120 с CD4 не только служит ключевым моментом в проникновении вируса в клетку, но и нарушает внутриклеточную передачу сигнала и вызывает апоптоз CD4+ Т-лимфоцитов. В последние время возобновился интерес к идее блокирования CD4 как основного клеточного рецептора ВИЧ-1. Так, PRO542, представляющий собой полученный генно-инженерными методами тетравалентный белок слияния CD4-IgG2, не только подавлял репликацию in vitro, но и показал впечатляющую противовирусную активность у больных с высокой вирусной нагрузкой в первых клинических испытаниях.
Помимо CD4-рецептора, для связывания и проникновения вируса необходимы дополнительные клеточные факторы или ко-рецепторы. Было уста-
новлено, что такими ко-рецепторами являются молекула CXCR4 (фузин) для вирусов, тропных к Т-лимфоцитам, и CCR5 - для вирусов, тропных к макрофагам (рис. 2). Вирусы, тропные к Т-лимфоцитам (Т-тропные вирусы) и макрофагам (М-тр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.