Wirusy HIV - Krajowe Centrum ds AIDS

1
Wirusy HIV
HIV-1
Pierwsze doniesienie potwierdzające, iż AIDS jest chorobą wirusową, pojawiło się w roku 1983, kiedy Barré-Sinoussi i
wsp. pracujący pod kierunkiem Luca Montagnier, odkryli zawierający RNA wirus w węźle chłonnym Frederica B., mężczyzny z
przetrwałą uogólnioną limfadenopatią, którą uważano za mającą związek z AIDS 1 . Zespół francuski nazwał odkryty przez siebie
wirus LAV (ang. lymphadenopathy associated virus - wirus związany z limfadenopatią). Niewiele później amerykański zespół,
kierowany przez Roberta Gallo, opisał wirus nazwany HTLV-III (ang. human T-cell leukemia virus - ludzki wirus białaczki
komórek T) 2 . Wkrótce pojawiły się kontrowersje między zespołem francuskim, a amerykańskim, dotyczące pierwszeństwa w
wykryciu czynnika etiologicznego AIDS. Przyczynił się do nich fakt, iż sekwencje obydwóch wirusów, francuskiego i
amerykańskiego, okazały się niemal identyczne. Spór trwał wiele lat, zakończył się stwierdzeniem, iż hodowle komórkowe w
laboratorium amerykańskim zostały zanieczyszczone wirusem pochodzącym z Francji 3 .
Inne grupy badaczy również poszukiwały czynnika etiologicznego AIDS. Między innymi zespół pod kierunkiem Jay’a
Levy’ego zidentyfikował wirus nazwany ARV (ang. AIDS-associated retrovirus – retrowirus związany z AIDS), którego obecność
wykryto u ludzi z objawami choroby, a także u osób zupełnie zdrowych klinicznie, co po raz pierwszy wskazało na istnienie
bezobjawowego okresu infekcji 4 .
W roku 1985 Kanki i wsp. opublikowali doniesienie o odkryciu nowego retrowirusa, ściśle spokrewnionego z HTLVIII 5 . W 1986 r. zespół Luca Montagnier wyizolował drugi ludzki retrowirus, nazwany LAV-2, zaś zespół amerykański wirus
HTLV-IV 6 .
W tym samym roku Międzynarodowa Komisja Taksonomii Wirusów zarekomendowała, by wirusom wywołującym
AIDS nadać nazwę HIV – od ang. human immunodeficiency viruses – ludzkie wirusy upośledzenia odporności, typ 1 i 2 7 .
Budowa wirusa HIV-1
Na podstawie obrazu uzyskanego w mikroskopie elektronowym wiadomo, iż cząstka HIV ma średnicę około 100 nm.
W jej skład wchodzą cylindryczny rdzeń oraz otoczka. Rdzeń zbudowany jest z białka p24 – CA (ang. CApsid protein), dwóch nici
RNA związanych z białkiem p7 – NC (ang. NucleoCapsid protein) oraz enzymów: odwrotnej transkryptazy (ang. RT – reverse
transcriptase), heterodimeru zbudowanego z podjednostek – białka p66, posiadającego domenę o aktywności RNazy H i białka
p51, a także proteazy HIV (p10) i integrazy (p32). Na zewnątrz rdzenia znajduje się białko p17 (ang. Matrix), niezbędne dla
zachowania integralności wirionu.
Powierzchnia wirusa posiada charakterystyczne wypukłości, zwykle 72, zawierające glikoproteiny otoczki.
Wielkość genomu HIV wynosi około 9,8 kb. Na obu jego końcach znajdują się powtarzalne sekwencje końcowe (ang.
long terminal repeat – LTR).
Genom HIV zawiera następujące geny:
•
gag kodujący białka kapsydu, których prekursorem jest p55, przekształcany następnie przez proteazę wirusa w p17, p24, p7
i p6.
•
pol koduje enzymy wirusa: proteazę, odwrotną transkryptazę i integrazę. Enzymy powstają jako poliproteina Gag-pol
(p160), po czym podczas dojrzewania wirusa polipeptyd Pol odcinany jest od Gag przez proteazę HIV, z kolei Pol dzielony
jest na proteazę (p10), odwrotną transkryptazę (p66/p51) i integrazę (p31).
•
env koduje glikoproteiny wirusa jako gp160, następnie rozdzielane na gp41 i gp120. Gp41 i gp120 powiązane są ze sobą
niekowalencyjnie, gp41 ulokowane jest śródbłonowo, a gp120 na powierzchni wirionu. Gp120 posiada miejsca wiążące
receptor CD4 oraz receptory chemokin, służące jako koreceptory dla HIV-1. W skład gp120 wchodzi pięć regionów stałych
(C1 do C5) i pięć zmiennych (V1 do V5). Jeden z regionów zmiennych, pętla V3, determinuje tropizm HIV: albo do linii
Barre-Sinoussi F, Chermann J-C, Rey M. i wsp. Isolation of a T-lymphotropic retrovirus from a patient at risk for acquired immunodeficiency syndrome
(AIDS). Science 1983;220:868-71.
2 Gallo RC, Salahuddin SZ, Popovic M i wsp. Frequent detection and isolation of cytopathic retroviruses (HTLV-III) from patients with AIDS and at risk for
AIDS. Science 1984;224:500-3.
3 Chang Y, Cesarman E, Pessin MS i wsp. The origin of HIV-1 isolate HTLV-IIIB. Nature 1993;363:466-9.
4 Levy JA, Hoffman AD, Kramer SM i wsp. Isolation of lymphocytopathic retrovirus from San Francisco patient with AIDS. Science 1984;25:840-2.
5 Kanki P, McLane MF, King Nw i wsp. Serological identification and characterization of a macaque T-lymphotropic retrovirus closely related to HTLV-III.
Science 1985;228:1199-201.
6 Clavel F, Guetard D, Brun-Vezinet F i wsp. Isolation of new human retrovirus from West African patients with AIDS, Science 1986;233:343-6.
7 Coffin J, Haase A, Levy JA i wsp. Human immunodeficiency viruses. Science 1986;232:697.
1
krajowe centrum ds. AIDS
2
komórek T, albo do makrofagów. Sekwencje znajdujące się w obrębie pętli V3 wchodzą w interakcje z koreceptorami HIV
należącymi do rodziny receptorów chemokin, jak CXCR4 i CCR5. Gp 120 wchodzi w interakcje z niedawno
zidentyfikowanym białkiem DC-SIGN (ang. dendritic cell-specific, ICAM-3 grabbing, non-integrin), wyrażanym przez
komórki dendrytyczne 8 . Wirus wiążąc się z komórką dendrytyczną za pośrednictwem DC-SIGN przenoszony jest przez nią
do najbliższych węzłów chłonnych, co zwiększa skuteczność zakażania komórek CD4+ 9 . Geijtenbeck i wsp. 10 wykazali
niedawno, iż DC-SIGN posiada odmienne miejsca wiążące ICAM-2 i HIV-1, co może mieć znaczenie dla nowych strategii
terapeutycznych. Gp41 dzięki domenie fuzogennej pośredniczy w fuzji błon wirusa i komórki, co pozwala na uwolnienie
zawartości wirusa do cytoplazmy nowo zakażonej komórki 11 .
•
tat, transaktywator ekspresji genów HIV, jest jednym z dwóch istotnych czynników regulacyjnych dla ekspresji genów HIV
(tat i rev).
Białko Tat wiąże RNA w miejscu zwanym TAR (ang. transactivation response element), co aktywuje
transkrypcję, pozwalając na produkowanie pełnej długości transkryptów 12 .
•
rev koduje drugi niezbędny czynnik regulacji ekspresji HIV, który działa poprzez wiązanie z RRE (ang. Rev responsive
element – sekwencja regulatorowa w obrębie regionu env) i ułatwia eksport jądrowy, stabilizację i utylizację RRE
zawierającego wirusowy mRNA.
•
vif koduje powstanie zasadowego białka Vif (ang. viral infectivity factor – czynnik zakaźności wirusowej), które ułatwia
zakaźność, ale nie produkcję cząstek wirusa. Przy braku vif produkowane są cząsteczki defektywne, a ich transmisja z
komórki do komórki nie jest znacząco zaburzona.
•
vpr koduje powstawanie białka wirusowego R (ang. viral protein R), które wchodzi w interakcje z częścią p6 prekursora
gag p55. Funkcje Vpr obejmują kierowanie jądrowym importem kompleksu preintegracyjnego, a także indukcję
zatrzymania proliferujących komórek w fazie G2 cyklu komórkowego12. Zwiększa to replikację wirusa, która jest
najbardziej aktywna w tej fazie cyklu. Vpr zwiększa także namnażanie HIV w makrofagach. Prawdopodobnym
mechanizmem przyczyniającym się do zatrzymania cyklu komórkowego jest indukowanie zmian w błonie jądrowej komórki,
umożliwiających przerwanie jej ciągłości 13 .
•
vpu, kodujący powstawanie białka wirusowego U (ang. viral protein U) występuje wyłącznie w HIV-1 i w ściśle z nim
spokrewnionym SIVcpz, jest białkiem mającym przynajmniej dwie różne funkcje biologiczne: degradację CD4 w retikulum
endoplazmatycznym i wzmaganie uwalniania wirionów z błony komórkowej zakażonej komórki. Włączony jest także w
dojrzewanie Env12.
•
nef koduje powstanie wieloczynnościowego białka nazwanego Nef od akronimu angielskiej nazwy „negative factor”.
Nazwa jest konsekwencją pierwszych doniesień, sugerujących iż Nef hamuje aktywność transkrypcyjną LTR HIV. Obecnie
wiadomo, iż powoduje zmniejszenie ekspresji CD4 na powierzchni zakażonych komórek 14 , w mniejszym stopniu także
ekspresji cząstek MHC klasy II, co osłabia skuteczność niszczenia zakażonych komórek przez cytotoksyczne komórki T 15 ,16 ,
stymuluje także zakaźność wirionów HIV 17 . Gen nef jest niezbędny dla skutecznego rozprzestrzeniania wirusa,
utrzymywania wysokiego poziomu wiremii i postępu choroby do AIDS 18 . Nef może zmieniać ekspresję genów
Geijtenbeck TBH, Torensma R, van Vliet SJ i wsp. Identification if DC-SIGB, a novel dendritic dell-specific ICAM-3 receptor that supports primary immune
responses. Cell 2000;100:575-85.
9 Geijtenbeck TBH, Kwon DS, Torensma R i wsp. DC-SIGN, a dendritic cell-specific HIV-1 binding protein that enhances trans-infection of T-cells. Cell
2000;100:587-97.
10 Geijtenbeck TBH, van Duijhoven GCF, van Vliet SJ i wsp. Identification of a different binding sites in the dendritic cell-specific receptor DC-SIGN for ICAM3 and HIV-1. J Biol Chem 2002(epub ahead of print).
11 Camerini D, Seed B. A CD4 domain important for HIV-mediated syncytium formation lies outsider the virus binding site. Cell 1990;60:747-54.
12 CullenBR. HIV-1 auxillary proteins: making connections in a dying cell. Cell 1998;93:695-02.
13 De Noronia CMC, Herman MP, Lin HW i wsp. Dynamic disruption in nuclear envelope architecture and integrity induced by HIV-1 vpr. Science
2001;294:1105-8.
14 Garcia JV, Miller AD. Downregulation of cell surface CD4 cell by nef. Res Virol 1992;143:52-5.
15 Schwarz O, Marechal V, Le Gall S i wsp. Endocytosis of major histocompatibility complex class molecules is induced by the HIV-1 nef protein. Nature Med
1996;2:338-42.
16 Yang OO, Ngyuen PF, Kalams SA i wsp. Nef-mediated resistance of HIV-1 to antiviral cytotoxic T lymphocytes. J Virol 2002;76:1626-31.
17 Miller MD, Warmedam MT, Gaston I i wsp. The human immunodeficiency virus-1 nef gene product: a positive factor for viral infection and replication in
primary lymphocytes and macrophages. J Exp Med 19994;179:101-13.
18 Kestler HW 3rd, Ringler DJ, Mori K i wsp. Importance of nef gene for maintenance of high viral load and for development for AIDS. Cell 1991;65:651-62.
8
krajowe centrum ds. AIDS
3
komórkowych, co wspomaga kolejne stadia replikacji HIV-1 19 . Defekty genu nef znajdowano u części osób długo nie
wykazujących postępu infekcji do AIDS 20 ,21 , 22 .
Białka HIV przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Białka HIV.
Nazwa
Wielkość
p17
p24
p7
p6
Gag MA
CA
NC
Proteaza (PR)
Odwrotna transkryptaza (RT)
Integraza (IN)
p15
p66/p51
p32
Funkcja
Lokalizacja
interakcje z env, transport jądrowy genomu wirusa,
kapsyd rdzenia,
nukleokapsyd, wiąże RNA,
wiąże Vpr,
wirion
wirion
wirion
wirion
rozdzielanie gag/pol i dojrzewanie,
odwrotna transkrypcja i aktywność RNazy,
integracja DNA prowirusa.
wirion
wirion
wirion
Env
gp120
gp41
zewnętrzna glikoproteina wirusa wiążąca się z CD4 i
koreceptorami
Tat
p16/p14
Rev
p19
transport RNA, czynnik stabilności i utylizacji
Vif
p23
ułatwia dojrzewanie wirionów i zakaźność
Vpr
p10-15
Vpu
p16
Nef
p27-25
błona komórkowa, otoczka
wirusa
transkrypcjonalny transaktywator wirusowy
przede wszystkim w
jąderku/jądrze
przede wszystkim w
jąderku/jądrze, przesyłany
między jąderkiem a
cytoplazmą
ułatwia jądrową lokalizację kompleksu preintegracyjnego,
hamuje podział komórek, zatrzymuje zakażone komórki w
fazie G2/M
ułatwia uwalnianie cząstek wirusa z komórki
zmniejszanie regulacji CD4 i HLA klasy I
cytoplazma, wirion
wirion, jądro
integralne białko błony
błona komórkowa,
cytoplazma
Poznanie struktury odwrotnej transkryptazy i proteazy HIV pozwoliło na stworzenie leków hamujących replikację HIV
w różnych etapach jego cyklu życiowego. Trwają badania nad lekami hamującymi replikację HIV w innych miejscach cyklu
życiowego wirusa, jak na przykład blokującymi wejście i fuzję wirusa HIV z wrażliwą na zakażenie komórką, poszukuje się także
inhibitorów integrazy.
HIV-2
Odkrycie HIV-2 nastąpiło kilka lat później, niż HIV-1. W roku 1985 opisano grupę zdrowych Senegalczyków, których
surowice wykazywały znacznie silniejszą odpowiedź humoralną na SIV (ang. simian immunodeficiency virus – małpi wirus
upośledzenia odporności), niż na HIV-1 23 , 24 . Nieco później nowy retrowirus izolowali badacze francuscy 25 .
Struktura genetyczna HIV-2 jest podobna do HIV-1, chociaż HIV-2 zamiast genu vpu zawiera gen vpx. Różnice w
składzie białek otoczki i innych powodują w organizmie gospodarza indukowanie przeciwciał różniących się od przeciwciał
powstających w odpowiedzi na zakażenie HIV-127.
HIV-2 dzielony jest na podtypy A i B (epidemiczne) i C – G (nieepidemiczne).
Ludzki wirus upośledzenia odporności typu 2 występuje na ograniczonym geograficznie obszarze Afryki Zachodniej,
przy czym największą częstość zakażeń stwierdzono w Gwinei-Bissau, a także w Angoli i Mozambiku 26, 27 . W Europie najwięcej
Sahaduzzaman RW, Nsa W, Hassing SE i wsp. Effects of human immunodeficiency virus type 1on cellular gene expression profiles. J Biol Sci 2002;9:82-96.
Deacon NJ, Tsykin A, Solomon A i wsp. Genomic structure of an attenuated quasi species of HIV-1 from a blood transfusion donor and recipients. Science
1995;270:988-91.
21 Kirchhoff F, Greenough TC, Brettler DB, Sullivan JL, Desrosiers RC. Brief report: absence of intact nef sequences in a long-term survivor with nonprogressive
HIV-1 infection. N Engl J Med 1995:332:228-32.
22 Kirchoff F, Easterbrook PJ, Douglas N i wsp. Sequence variations in human immunodeficiency virus type 1 nef are associated with different stages of disease. J
Virol 1999;73:5497-08.
23 Barin F, M’Boup S, Denis F i wsp. Serologic evidence for virus related to simian T-lymphotropic retrovirus III in residents in West Africa. Lancet
1985;228:1199-201.
24 Kanki PJ, McLane MF, King NW Jr i wsp. Serological identification and characterization of macaque T-lymphotropic retrovirus closely related to HTLV-III.
Science 1985:228:1199-201.
25 Clavel F, Guetard D, Brun-Vezinet F i wsp. Isolation of a new human retrovirus from West African patients with AIDS. Science 1986;233:343-6.
26 Center for Diseases Control and Prevention. Testing for antibodies to human immunodeficiency virus type 2 in the United States. MMWR 1992;41(No. RR12):1-9.
27 Markovitz DM. Infection with the human immunodeficiency virus type 2. Ann Intern Med 1993;118:211-8.
19
20
krajowe centrum ds. AIDS
4
zakażeń nim spowodowanych stwierdzono we Francji i Portugalii, co jest wynikiem powiązań tych krajów z dawnymi koloniami
w Afryce Zachodniej, sporadycznie obserwowano je także w Indiach, Brazylii, Kanadzie i USA23.
Oba ludzkie wirusy upośledzenia odporności przenoszone są tymi samymi drogami. Jednakże HIV-2 w porównaniu z
HIV-1, zdaniem niektórych badaczy, rzadziej przekazywany jest w kontaktach seksualnych, rzadziej też przenoszony jest na
dzieci w okresie okołoporodowym 28 .
HIV-2 powoduje znacznie wolniejsze obniżanie odsetka limfocytów CD4 w porównaniu z HIV-1, znacznie dłuższy jest
też okres klinicznie bezobjawowej infekcji24, a porównanie poziomów wirusowego RNA wykazało, iż średni jego poziom jest
trzydziestokrotnie niższy, niż w infekcji HIV-1, niezależnie od czasu trwania zakażenia HIV-2 29, 30 . Jednakże taki sam poziom
wiremii zapowiada podobny spadek liczby komórek CD4 u osób zakażonych HIV-1 i HIV-2 31 .
Nieznana jest częstość równoczesnych zakażeń obydwoma typami wirusa HIV, choć przypadki takie opisywano
wielokrotnie w literaturze medycznej. Niektórzy badacze, między innymi Travers i wsp. 32 oraz Kanki i wsp. 33 sugerowali, iż
infekcja HIV-2 chroni przed zakażeniem HIV-1, natomiast zakażenie HIV-1 nie chroni przed HIV-2. Jednakże w analizie danych
epidemiologicznych, dokonanej przez Greenberga w roku 2001 34 w sześciu z siedmiu badanych populacji częstość infekcji HIV-1
była wyższa u zakażonych HIV-2, niż u niezakażonych. Sarr i wsp. 35 wykazali, iż wraz z czasem trwania równoczesnego zakażenia
obydwoma ludzkimi wirusami upośledzenia odporności poziom HIV-2 obniża się, co może być spowodowane sekwestracją w
rezerwuarach tkankowych lub dominacją replikacji HIV-1. W badaniach prowadzonych w Gwinei- Bissau wykazano, iż HIV-2 nie
wywiera działania ochronnego przed zakażeniem HIV-1 w badanej tam populacji, może natomiast stanowić czynnik ryzyka dla
zakażenia HIV-1 36 .
U pacjentów zakażonych równocześnie HIV-1 i HIV-2 wykazano, iż infekcja HIV-2 nie wpływa na replikację HIV-1,
ani na przedłużenie życia, zaś śmiertelność osób zakażonych dwoma wirusami nie różniła się od śmiertelności wśród zakażonych
HIV-1, była jednak znamiennie wyższa u osób nie posiadających HLA B58 37 .
Lemey i wsp. 38 wykazali, iż wspólny przodek dla HIV-2 subtypu A pojawił się w Gwinei-Bissau w roku 1940 ± 16 lat, a
dla subtypu B w roku 1945 ± 14 lat. Zdaniem autorów przejście od stałej liczby zakażeń do znacznego ich wzrostu nastąpiło w
latach 1955 – 1970, co zbiegło się z czasem wojny o niepodległość (1963 – 1974), co może sugerować, iż zmiany wzorców socjokulturalnych mające związek z wojną miały znaczący wpływ na epidemię HIV-1.
Tabela 2. Różnice między HIV-1 a HIV-2 39 .
HIV-1
HIV-2
drogi zakażenia
rozmieszczenie geograficzne
częstość zakażeń a wiek
przenoszenie z matki na dziecko
brak różnic
globalne
Afryka Zachodnia (Portugalia, Indie)
szczyt między 20 a 40 rż.
wzrost wraz z wiekiem
15 – 40%
< 5%
zakażenia heteroseksualne
czas do AIDS
znamiennie rzadsze HIV-2, niż HIV-1
± 10 lat
znamiennie dłuższy
Marlink R. Lessons from the second AIDS virus, HIV-2. AIDS 1996;10:689-99.
Popper SJ, Dieng Sarr A, Travers KU i wsp. Lower human immunodeficiency virus (HIV) type 2 viral load reflects the difference in pathogenicity of HIV-1
and HIV-2. J Infect Dis 1999;180:1116-21.
30 Popper SJ, Dieng Sarr A, Travers KU i wsp. Lower human immunodeficiency virus (HIV) type 2 viral load reflects the difference in pathogenicity of HIV-1
and HIV-2. J Infect Dis 1999;180:1116-21.
31 Gottlieb GS, Sow PS, Hawes SE i wsp. Equal plasma viral loads predict a similar rate of CD4+ T cell decline in human immunodeficiency virus (HIV) type 1 –
and HIV-2 – infected individuals from Senegal, West Africa. J Infect Dis 2002;185:905-14.
32 Travers K, Mboup S, Marlink R i wsp. Natural protection against HIV-1 infection provided by HIV-2. Science 1995;268:1612-5.
33 Kanki P, Eisen G, Travers KU i wsp. HIV-2 and natural protection against HIV-1 infection. Science 1996;272:1959-60
34 Greenberg AE. Possible protective effect of HIV-2 against incident HIV-1 infection: review of available epidemiological and in vitro data. AIDS 2001;15:231921.
35 Saar DA, Hamel DJ, Thior I i wsp. HIV-1 and HIV-2 dual infection: lack of HIV-2 protection correlates with low CD4+ lymphocyte counts. AIDS
1998;12:131-7.
36 Schim van der Loeff MF, Aaby P, Aryioshi K i wsp. HIV-2 does not protect against HIV-1 infection in rural community in Guinea-Bissau. AIDS 2001;15:
2303-10.
37 Alabi AS, Jaffar S, Ariyoshi K i wsp. Plasma viral load, CD4 cell percentage, HLA and survival of HIV-1, HIV-2, and dualny infected Gambia patients. AIDS
2003;17:1513-20.
38 Lemey P, Rybus OG, Wang B i wsp. Tracing the origin and history of the HIV-2 epidemic. Proc Natl Acad Sci 2003;100:6588-92.
39 Andersson S. HIV-2 and the immune response. AIDS Rev 2001;3:11-23.
28
29
krajowe centrum ds. AIDS
5
poziom prowirusowego DNA
brak różnic
poziom HIV RNA w plazmie
znamiennie niższy dla HIV-2, niż HIV-1
porównanie genetyczne
40 – 60% homologii
Dorota Rogowska-Szadkowska
wrzesień 2006r.
krajowe centrum ds. AIDS