Понятие о ВИЧ-инфекции. Профилактика СПИДа

Вторая часть жизненного цикла  ВИЧ - производство новых вирионов - совершается спорадически и только в некоторых зараженных клетках. Она начинается, когда т.н. длинные концевые повторы (ДКП); это особые нуклеотидные последовательности на концах вирусного генома инициируют транскрипцию вирусных генов; при этом ферменты, принадлежащие клетке-хозяину синтезируют РНК - копии провируса.

Каждая вирусная частица  собирается из множества копий двух различных белковых молекул, соотношение которых составляет примерно 20:1. Структура вириона довольно проста и состоит из двух оболочек: внешней - сферической, и внутренней - пулевидной. Последняя содержит в себе две цепи РНК и ферменты: обратную транскриптазу, протеиназу и интегразу. На внешней оболочке содержатся белки, молекулы, которого выступают из мембраны наподобие шипов. Каждый шип образован двумя или тремя идентичными субъединицами, которые в свою очередь состоят из двух связанных компонентов, представляющих собой гликопротеины. Один компонент, обозначаемый gp120 (гликопротеин с молекулярной массой 120000), выступает над поверхностью клетки, а другой - gp41 - наподобие стержня погружен в мембрану. Эти гликопротеинные комплексы определяют способность ВИЧ заражать новые клетки.

Хитроумно организованные генетические регуляторы определяют, начнется ли цикл репликации вируса, и какова будет  интенсивность размножения. Помимо трех генов для белков сердцевины и оболочки в геноме ВИЧ имеется по меньшей мере шесть генов. Некоторые из них, а возможно и все, регулируют производство вирусных белков: один ген обеспечивает ускорение синтеза белков в целом, другой только определенных белков, а третий - подавление синтеза белков. Поскольку регуляторные гены сами кодируют белки, каждый из них влияет не только на структурные гены, но и на регуляторные гены, в том числе и на самого себя.

Регуляторный ген tat ответственен за вспышку репликации, которая наблюдается, к примеру, в Т-4 клетках, когда они активируются при встрече с антигеном (чужеродной молекулой, вызывающей иммунный ответ). Ген tat необычен как по структуре, так и по своему действию. Он состоит из двух нуклеотидных последовательностей, расположенных довольно далеко друг от друга. В результате его транскрипции образуется РНК (первичный транскрипт), которая должна подвергнуться сплайсингу (промежуточный сегмент вырезается и кодирующие последовательности соединяются), чтобы она превратилась в мРНК и по ней синтезировался белок. Влияние белка - продукта гена tat очень велико: он может повысить уровень экспрессии вирусных генов в 1000 раз по сравнению с тем, что наблюдается у мутантов ВИЧ без этого гена. Стимулирующий эффект распространяется на все вирусные белки - как на структурные компоненту вирионов, так и на регуляторные белки, включая белок кодируемый самим геном tat. Благодаря такой положительной обратной связи, как только механизм с участием гена tat активировался, очень быстро образуется огромное количество вирусных частиц.

В то время как ген tat усиливает синтез всех вирусных белков без разбора, второй регуляторный ген - rev (регулятор экспрессии белков вириона) обладает избирательным действием, благодаря которому производятся либо регуляторные белки, либо компоненты вириона. Белок - продукт гена rev, как и в случае гена tat, кодируется разобщенными нуклеотидными последовательностями, которые соединяются в результате сплайсинга РНК. В регуляции этим белком участвуют еще две последовательности. Одна из них действует как репрессор: препятствует трансляции транскриптов, которые ее содержат. Другая последовательность взаимодействует с белком rev и снимает эффект первой последовательности.

Последовательность - репрессор, называемая CRS (от англ. cis-acting repression sequence), имеется в мРНК, по которым синтезируются белки, формирующие вирионы - сердцевинные белки, ферменты репликации и белок оболочки; мРНК регуляторных белков - продуктов генов tat и самого rev - не содержат CRS. В отсутствие белка - продукта гена rev - последовательность CRS не дает накапливаться длинным мРНК, по которым синтезируются белки для вирионов. Напротив, короткие мРНК, кодирующие регуляторные белки не имеющие CRS, стабильны и транслируются.

В присутствии белка - продукта гена rev происходит “переключение”. Этот белок действует на последовательность CAR (от англ. cis-acting rev-responsive sequence), которая тоже содержится в длинных мРНК. При этом нейтрализуется CRS и начинают накапливаться полноразмерные мРНК, и вместо регуляторных белков синтезируются белки, из которых собираются новые вирионы. Таким образом, механизм с участием гена rev может определять переход от скрытой инфекции к активному размножению вируса.

Однако в ходе репликации взаимодействие между механизмами rev и tat может сдерживать размножение  вируса, нейтрализуя друг друга. Продукт  гена tat усиливает синтез самого себя и белка гена rev, тогда как продукт  гена rev замедляет собственный синтез и синтез белка кодируемого геном tat. В результате устанавливается своего рода гомеостаз, характеризующийся постоянными уровнями белков, кодируемых генами tat и rev, и умеренным производством вирусных частиц. Ограниченная репликация позволяет вирусу воспроизводиться годами, не убивая зараженные клетки, поэтому такой тип генетической регуляции может быть адаптивным признаком ретровирусов, хозяевами которых являются виды с долгим временем жизни, такие как человек.

Помимо активатора (tat) и избирательного регулятора (rev) у ВИЧ есть негативный регулятор, который замедляет транскрипцию вирусного генома. Ген негативного регуляторного фактора, обозначаемый nef, возможно, определяет способность ВИЧ прекращать размножение и переходить в состояние покоя.

Последовательность, являющаяся мишенью белка - продукта гена nef, расположена в начале вирусного генома в длинном концевом повторе. Она называется негативным регуляторным элементом (НРЭ). НРЭ подавляет транскрипцию даже сама по себе; если вирусный ДКП, лишенный этой последовательности, ввести в незараженную клетку, он обеспечивает повышенный уровень транскрипции клеточных генов. Продукт гена nef усиливает эффект НРЭ, но каким образом он достигает этого - загадка.

Сложные механизмы регуляции  размножения ВИЧ действуют не в изоляции: они тесно связаны с метаболизмом клетки-хозяина. Начать с того, что вирус использует клеточный аппарат для транскрипции своих генов и синтеза белков. В частности, клеточные факторы явно играют роль во вспышке репликации ВИЧ, происходящей при участии гена tat, когда зараженная Т-клетка стимулируется антигеном. Особенности молекулярного “климата” клетки-хозяина также, вероятно, как-то влияют на скорость размножения вируса, которая различна в различных типах клетки.

Возможно, для связи клеточных и вирусных процессов имеет значение связь клеточных белков с LTR в начале вирусного генома. Последовательности в LTR определяют сайт инициации транскрипции вирусных генов - стартовую точку, в которой начинается синтез мРНК. По крайней мере восемь белков, которые в норме участвуют в клеточной транскрипции, связываются с клеточной ДНК в сайте инициации транскрипции или рядом с ним. Они играют определенную роль в процессе транскрипции. Один из белков, который узнает инициаторные последовательности, играет специфическую роль в Т-клетках и других лимфоцитах. Этот белок активируется, когда лимфоцит стимулируется антигенами и начинает размножаться. Считается, что он способствует размножению клетки, усиливая транскрипцию. Как выяснилось, при стимуляции зараженных Т-клеток усиливается связывание этого белка с геномом провируса. Таким образом активация этого белка может быть одним из путей ускорения размножения HIV при стимуляции Т-клетки.

Вероятно, набор клеточных  факторов, действующий на вирусный геном, варьирует в зависимости как от условий, так и от типа клетки-хозяина. Некоторые клетки, находясь в состоянии покоя. Могут просто не иметь белков, необходимых для инициализации транскрипции, так что инфекция остается скрытой. В других клетках скорость размножения вируса может быть ограничена из-за низкой концентрации инициаторных факторов или из-за избытка белков, ингибирующих синтез мРНК. Таким образом, клетка-хозяин при помощи собственных факторов транскрипции создает молекулярное окружение, влияющее на регуляторные механизмы ВИЧ.

После того как в результате действия описанных выше механизмов началось производство вирусных частиц, в игру вступает последний ген. Этот ген, названный vif (фактор инфекционности вириона), кодирует небольшой белок, который обнаруживается в цитоплазме зараженных клеток и вокруг них в межклеточной среде, а так же в свободных вирусных частицах. Белок - продукт гена vif каким-то образом усиливает способность отпочковавшегося вириона заражать другие клетки. У штаммов HIV с мутациями, инактивирующими vif, вирионы имеют нормальный вид, содержат полный набор РНК и ферментов, но заражают клетки намного менее эффективно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Этапы заражения клетки вирусом

Первый шаг любой вирусной инфекции - связывание вирусной частицы с компонентом мембраны заражаемой клетки. Для ВИЧ роль такого рецепторного компонента играет белок, называемый антигеном CD4.(Антиген - это молекулярная структура, которая узнается антителом.) из этого следует, что распределение CD4 в организме должно соответствовать тропизму ВИЧ, т.е. спектру клеток и тканей, поражаемых вирусом. Антиген CD4 встречается главным образом на лимфоцитах, называемых Т-4 хелперами, которые являются важным элементом иммунной системы, а так же на некоторых других клетках.

Как было установлено, связывание происходит, если CD4 взаимодействует с белком оболочки вируса gp120, который распределен  на внешней поверхности мембраны. Удалось определить специфические фрагменты молекул CD4 и gp120, участвующие в связывании. Эти результаты открывают возможность двойной борьбы с ВИЧ: препятствовать взаимодействию вируса с клеточным рецептором CD4 можно блокируя сам рецептор или экранируя вирусный белок gp120.

Вследствие поражения  клеток крови, несущих антиген CD4, особенно Т-4 лимфоцитов, по его концентрации можно судить о зараженности СПИДом. В клеточных культурах можно так же наблюдать еще один весьма удобный для исследования признак заражения - образование многоядерных синцитиев. Синцитий представляет собой гигантскую клетку, содержащую множество ядер внутри одной мембраны. Он формируется в результате слияния клеток, зараженных ВИЧ, со здоровыми клетками, несущими молекулы рецептора.

Наиболее строгое доказательство такого механизма взаимодействия вируса с клеткой стал эксперимент, проведенный в 1984 г. в Колумбийском университете США. Удалось перенести ген, кодирующий CD4, в клетки HeLa - линию клеток раковой опухоли шейки матки. Эти клетки не содержат CD4 и в норме не заражаются ВИЧ. Тогда как измененные клетки HeLa, несущие CD4, могут быть заражены ВИЧ, после чего они быстро сливаются в гигантские синцитии.

Этот эксперимент дал, кроме того, один неожиданный результат, который до сих пор полностью  не объяснен. Человеческий ген CD4 был  введен в мышиные Т-клетки, которые тем самым приобрели способность производить соответствующий белок. Частицы ВИЧ связывались с этими измененными клетками, однако признаков инфекции не было: не образовывался ни синцитий, ни инфекционные вирусные частицы. Это было удивительно, так как мышиные клетки вообще-то способны поддерживать размножение ВИЧ при некоторых условиях. По всей видимости, мышиные клетки не могут быть заражены частицами ВИЧ даже в присутствии рецепторов ВИЧ. К заражению мышиных клеток оказались также неспособны некоторые родственные вирусы. Эти факты позволяют предполагать, что необходим еще какой-то компонент клеточной поверхности для того, чтобы вирус, прикрепившийся к клеточной мембране смог проникнуть внутрь клетки. Природа такого дополнительного фактора пока не ясна.

Связывание вирусного gp120 с клеточным CD4 - это только первый этап проникновения вируса в клетку. Последующие этапы пока менее понятны. Например, как попадает в клетку вирусный генетический материал? Простейшая и наиболее вероятная возможность состоит в том, что оболочка вириона сливается с клеточной мембраной и содержимое вирусной частицы (включая генетический материал) оказывается внутри клетки. Другой возможный путь - эндоцитоз, т.е. образование небольшого впячивания клеточной мембраны, которое затем отпочковывается внутрь, превращаясь в замкнутый мембранный пузырек. Пузырек полностью окружает вирусную частицу и переносит ее внутрь клетки. Там мембрана, образующая пузырек (теперь он называется эндосомой), закисляется. Это приводит к конформационным изменениям, слиянию ее с вирусной мембраной и освобождению содержимого вирусной частицы во внутриклеточное пространство.

Независимо от того, что  на самом деле происходит - прямое слияние  или эндоцитоз - вирусная мембрана должна претерпеть слияние с клеточной. Как же это осуществляется? Согласно одной из гипотез, представляющейся вполне правдоподобной, связывание gp120 с CD4 вызывает изменение конформации белка gp120, вследствие чего обнажается часть другого белка оболочки, gp41, в норме скрытого под молекулой gp120. Эта область gp41 гидрофобна и потому должна внедряться в мембрану, а не оставаться снаружи, в водной среде, окружающей клетку. Оказавшись открытой, гидрофобная область gp41 взаимодействует с близлежащей частью клеточной мембраны и индуцирует ее слияние с вирусной мембраной. Пока не ясно, нужен ли для связывания с gp41 еще какой-то рецептор клеточной поверхности, помимо CD4, или же gp41 сам внедряется прямо в клеточную мембрану.

После того, как ВИЧ  проник в клеточную среду и  его генетический материал интегрировался в клеточный геном, он может оставаться неактивным и никак себя не обнаруживать, а может и проявиться одним из трех способов.

Во-первых, вирусный геном  может вызвать персистирующую инфекцию; при этом образуется некоторое количество вирусных частиц, но клеток погибает немного. Во-вторых, инфекция может привести к образованию синцития, который вскоре гибнет. Появление синцитиев - главный результат воздействия ВИЧ на культуру клеток. В организме зараженного человека синцитии иногда можно наблюдать на поздних стадиях инфекции, особенно в мозге. Неясно, однако, играют ли они какую-то роль в раннем патогенезе СПИДа.

Третий вероятный результат  заражения ВИЧ - быстрая гибель клеток без образования синцитиев. Каким образом ВИЧ убивает клетки пока не ясно. Возможно, какие-то из продуктов, кодируемых генами ВИЧ, обладают прямым токсическим действием. Возможно, также разрушение клеточной мембранной системы из-за того, что внедрившийся в нее gp120, синтезированный в результате инфекции, взаимодействует с имеющимся в мембране CD4. Судьба зараженной клетки зависит и от иммунного ответа, поскольку иммунная система способна узнавать вирусные белки на поверхности зараженных клеток и убивать эти клетки.