Введение
Геном и белки ВИЧ (вируса иммунодефицита человека) были предметом обширных исследований с момента открытия вируса в 1983 году. "В поисках возбудителя первоначально предполагалось, что вирус является разновидностью вируса лейкоза Т-клеток человека (HTLV), который к тому времени был известен своим влиянием на иммунную систему человека и способностью вызывать определенные виды лейкозов. Однако исследователи из Института Пастера в Париже выделили у пациентов с СПИДом ранее неизвестный и генетически отличный ретровирус, который впоследствии был назван ВИЧ." Каждый вирион состоит из вирусной оболочки и связанной с ней матриксной структуры, окружающих капсид, который, в свою очередь, содержит две копии одноцепочечного РНК-генома и несколько ферментов. Открытие самого вируса произошло спустя два года после сообщения о первых крупных случаях заболеваний, связанных со СПИДом.
The genome and proteins of HIV (human immunodeficiency virus) have been the subject of extensive research since the discovery of the virus in 1983. "In the search for the causative agent, it was initially believed that the virus was a form of the Human T cell leukemia virus (HTLV), which was known at the time to affect the human immune system and cause certain leukemias. However, researchers at the Pasteur Institute in Paris isolated a previously unknown and genetically distinct retrovirus in patients with AIDS which was later named HIV." Each virion comprises a viral envelope and associated matrix enclosing a capsid, which itself encloses two copies of the single stranded RNA genome and several enzymes. The discovery of the virus itself occurred two years following the report of the first major cases of AIDS associated illnesses.
Структура
Полная последовательность генома ВИЧ-1, выделенная из инфекционных вирионов, была установлена с разрешением до отдельного нуклеотида. Геном ВИЧ кодирует небольшое число вирусных белков, неизменно формируя кооперативные взаимодействия между белками ВИЧ и между белками ВИЧ и белками клетки-хозяина, для проникновения в клетки хозяина и захвата их внутренних механизмов. ВИЧ структурно отличается от других ретровирусов. Диаметр вириона ВИЧ составляет около 100 нм. Его центральная часть состоит из конусовидного ядра, включающего две копии генома одноцепочечной РНК положительного смысла (ссРНК), ферменты обратную транскриптазу, интегразу и протеазу, некоторые минорные белки и основной белок ядра. Геном вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) кодирует 8 вирусных белков, играющих ключевую роль в жизненном цикле ВИЧ. Две РНК часто идентичны, однако они не являются независимыми, а образуют компактный димер внутри вириона. Предложено несколько объяснений тому, почему в вирион упаковываются две копии РНК, а не одна, включая, вероятно, сочетание этих преимуществ: одно из преимуществ заключается в том, что две копии РНК необходимы для рекомбинации ВИЧ-1, происходящей во время обратной транскрипции при репликации вируса, тем самым повышая генетическое разнообразие. РНК-компонент состоит из 9749 нуклеотидов и содержит 5'-кэп (Gppp), 3'-поли(А)-хвост и множество открытых рамок считывания (ORF). Вирусные структурные белки кодируются длинными ORF, в то время как меньшие ORF кодируют регуляторы вирусного жизненного цикла: прикрепление, слияние мембран, репликацию и сборку. Гликопротеины оболочки (gp120 и gp41), являющиеся единственными белками на поверхности вируса, представляют собой основные мишени для разработки вакцин против ВИЧ. Более половины массы тримерного шипа оболочки составляют N-связанные гликозиды. Плотность высока, поскольку гликозиды защищают вирусные белки от нейтрализации антителами. Это одна из наиболее плотно гликозилированных молекул, известных, и ее плотность достаточно высока, чтобы препятствовать нормальному созреванию гликозидов в процессе биогенеза в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи. В результате большинство гликозидов остаются в незрелом состоянии – «высокоманнозными» гликозидами, которые обычно отсутствуют на секретируемых или клеточных поверхностных гликопротеинах человека. Необычная обработка и высокая плотность означают, что почти все широко нейтрализующие антитела, идентифицированные на сегодняшний день (от подгруппы пациентов, инфицированных в течение многих месяцев или лет), связываются с этими гликозидами оболочки или адаптированы для взаимодействия с ними. Молекулярная структура вирусного шипа была определена с помощью рентгеновской кристаллографии и криоэлектронной микроскопии. Эти достижения в структурной биологии стали возможны благодаря разработке стабильных рекомбинантных форм вирусного шипа путем введения межсубъединичной дисульфидной связи и мутации изолейцина в пролин в gp41. Так называемые тримеры SOSIP не только воспроизводят антигенные свойства нативного вирусного шипа, но и демонстрируют ту же степень незрелости гликозидов, что и на нативном вирусе. Рекомбинантные тримерные вирусные шипы являются перспективными кандидатами на вакцину, поскольку они содержат меньше не нейтрализующих эпитопов, чем рекомбинантный мономерный gp120, который подавляет иммунный ответ на целевые эпитопы.
Организация генома
ВИЧ имеет несколько основных генов, кодирующих структурные белки, которые встречаются во всех ретровирусах, а также несколько неструктурных ("вспомогательных") генов, уникальных для ВИЧ. Они синтезируются в виде полипротеинов, которые образуют белки для внутренней части вириона, называемые Gag, групповой специфический антиген; вирусные ферменты (Pol, полимераза) или гликопротеины оболочки вириона (env). Помимо этого, ВИЧ кодирует белки, обладающие также определенными регуляторными и вспомогательными функциями. Геном ВИЧ представлен транскриптом длиной 9,2 кб, который не подвергается сплайсингу и кодирует предшественники Gag и Pol; однократно сплайсированным транскриптом длиной 4,5 кб, кодирующим env, Vif, Vpr и Vpu; и многократно сплайсированной мРНК длиной 2 кб, кодирующей Tat, Rev и Nef. Ген Pol кодирует вирусные ферменты – обратную транскриптазу (RT) и RNase H, интегразу (IN) и ВИЧ-протеазу (PR). Ген env (обозначающий "оболочку") кодирует gp160, который расщепляется протеазой-хозяином фурином в эндоплазматической сети клетки-хозяина. Посттрансляционная обработка приводит к образованию поверхностного гликопротеина gp120 или SU, который связывается с CD4-рецепторами на лимфоцитах, и gp41 или TM, который внедряется в вирусную оболочку, обеспечивая прикрепление вируса к клеткам-мишеням и слияние с ними.
Вторичная структура РНК
В геном РНК ВИЧ было выявлено несколько консервативных элементов вторичной структуры. Структуры вирусной РНК ВИЧ регулируют ход обратной транскрипции. Структура 5'-UTR состоит из серии шпильковых структур, соединенных небольшими линкерами. Другая идентифицированная структура РНК – шпилька 3 gag (GSL3), которая предположительно участвует в упаковке вируса. Считается, что вторичные структуры РНК влияют на жизненный цикл ВИЧ, изменяя функции ВИЧ-протеазы и обратной транскриптазы, хотя не всем идентифицированным элементам назначена функция. Вторичная структура РНК, определенная с помощью SHAPE-анализа, содержит три шпильки и расположена между генами ВИЧ-протеазы и обратной транскриптазы. Эта цис-регуляторная РНК показала свою консервативность во всей семье ВИЧ и предположительно влияет на жизненный цикл вируса.
Круг V3
Третья вариабельная петля или петля V3 – это часть или область вируса иммунодефицита человека. Петля V3 гликопротеина оболочки вириона, gp120, позволяет ему инфицировать человеческие иммунные клетки, связываясь с рецептором цитокина на целевой иммунной клетке человека, например, с клеткой CCR5 или клеткой CXCR4, в зависимости от штамма ВИЧ. Гликопротеин оболочки (Env) gp120/41 необходим для проникновения ВИЧ-1 в клетки. Env является молекулярной мишенью для лекарственных препаратов, используемых для лечения людей, инфицированных ВИЧ-1, и источником иммуногенов для разработки вакцины против СПИДа. Однако структура функционального тримера Env до сих пор остается невыясненной.