Структура и геном ВИЧ - Structure and genome of HIV

Генома и белки из ВИЧ (вирус иммунодефицита человека) были предметом интенсивных исследований с момента открытия вируса в 1983 году «В поисках возбудителя, он был первоначально считали , что вирус был формой человека T Вирус клеточного лейкоза (HTLV), который, как было известно в то время, влияет на иммунную систему человека и вызывает определенные лейкемии. Однако исследователи из Института Пастера в Париже выделили ранее неизвестный и генетически отличный ретровирус у пациентов со СПИДом, который позже был назван ВИЧ." Каждый вирион включает вирусную оболочку и связанный с ней матрикс, включающий капсид , который сам включает две копии генома одноцепочечной РНК и несколько ферментов . Открытие самого вируса произошло через два года после сообщения о первых серьезных случаях заболеваний, связанных со СПИДом.

Состав

Схема ВИЧ
Структура незрелого капсида ВИЧ-1 в интактных вирусных частицах
Диаграмма спайкового белка ВИЧ (зеленый), эпитоп слитого пептида выделен красным цветом, а нейтрализующее антитело в широком смысле (желтый) связывается со слитым пептидом.

Полная последовательность генома ВИЧ-1, выделенная из инфекционных вирионов, была решена с точностью до одного нуклеотида . Геном ВИЧ кодирует небольшое количество вирусных белков , неизменно устанавливая кооперативные ассоциации между белками ВИЧ и между ВИЧ и белками хозяина, чтобы проникнуть в клетки хозяина и захватить их внутренние механизмы. ВИЧ отличается по структуре от других ретровирусов . Вирион ВИЧ имеет диаметр ~ 100 нм. Его самая внутренняя область состоит из конусообразного ядра, которое включает две копии (положительного смысла) генома оцРНК , ферменты обратной транскриптазы , интегразы и протеазы , некоторые второстепенные белки и основной основной белок. Геном вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) кодирует 8 вирусных белков, играющих важную роль в жизненном цикле ВИЧ.

ВИЧ-1 состоит из двух копий нековалентно связанного , unspliced , позитивно-смысловой одноцепочечной РНК , окруженных конической капсид , состоящий из вирусного белка p24 , типичной лентивирусов . Две копии цепей РНК жизненно важны для участия в рекомбинации ВИЧ-1, которая происходит во время обратной транскрипции вирусной репликации. Удержание двух копий одноцепочечной РНК внутри вириона, но образование только одного ДНК-провируса, называется псевдодиплоидией. Компонент РНК имеет длину 9749 нуклеотидов и имеет 5 'шапку (Gppp), 3' поли (A) хвост и множество открытых рамок считывания (ORF). Структурные белки вируса кодируются длинными ORF, тогда как меньшие ORF кодируют регуляторы жизненного цикла вируса: прикрепление, слияние мембран, репликацию и сборку.

Одноцепочечная РНК прочно связана с белками нуклеокапсида p7 , белком поздней сборки p6 и ферментами, необходимыми для развития вириона, такими как обратная транскриптаза и интеграза . Лизиновая тРНК является праймером для магний-зависимой обратной транскриптазы. Нуклеокапсид связывается с геномной РНК (одна молекула на гексамер) и защищает РНК от переваривания нуклеазами . В частицу вириона также заключены Vif , Vpr , Nef и вирусная протеаза . Оболочка вириона образована плазматической мембраны клетки - хозяина происхождения, которая поддерживается с помощью матрицы , состоящей из вирусного белка p17, обеспечение целостности вириона частицы. На поверхности вириона можно обнаружить ограниченное количество гликопротеина оболочки (Env) ВИЧ, тример, образованный гетеродимерами gp120 и gp41 . Env отвечает за связывание со своим первичным рецептором-хозяином, CD4, и его корецептором (в основном CCR5 или CXCR4 ), что приводит к проникновению вируса в его клетку-мишень.

Будучи единственными белками на поверхности вируса, гликопротеины оболочки (gp120 и gp41) являются основными целями при разработке вакцины против ВИЧ . Более половины массы шипа тримерной оболочки составляют N-связанные гликаны . Плотность высока, поскольку гликаны защищают нижележащий вирусный белок от нейтрализации антителами . Это одна из известных молекул с наиболее плотным гликозилированием , и ее плотность достаточно высока, чтобы предотвратить нормальный процесс созревания гликанов во время биогенеза в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи . Таким образом, большинство гликанов застопорились как незрелые « высокоманнозные » гликаны, которые обычно не присутствуют на секретируемых гликопротеинах человека или гликопротеинах клеточной поверхности. Необычный процессинг и высокая плотность означают, что почти все широко нейтрализующие антитела, которые были идентифицированы до сих пор (от подгруппы пациентов, которые были инфицированы в течение многих месяцев или лет), связываются с этими гликанами оболочки или адаптированы для борьбы с ними.

Молекулярная структура вирусного шипа теперь определена с помощью рентгеновской кристаллографии и криоэлектронной микроскопии . Эти успехи в структурной биологии стали возможными благодаря развитию 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 также демонстрируют ту же степень незрелости гликанов, что и нативный вирус. Рекомбинантные тримерные вирусные шипы являются многообещающими кандидатами в вакцины, поскольку они демонстрируют меньше ненейтрализующих эпитопов, чем рекомбинантный мономерный gp120, который действует, подавляя иммунный ответ на целевые эпитопы.

Организация генома

Структура РНК-генома ВИЧ-1

ВИЧ имеет несколько основных генов, кодирующих структурные белки, присутствующие во всех ретровирусах, а также несколько неструктурных («дополнительных») генов, уникальных для ВИЧ. Геном ВИЧ содержит девять генов, кодирующих пятнадцать вирусных белков. Они синтезируются как полипротеины, которые продуцируют белки внутренней части вириона, называемые Gag, группоспецифический антиген; вирусные ферменты (Pol, полимераза) или гликопротеины вириона окр (огибающей). В дополнение к этому, ВИЧ кодирует белки, которые также выполняют определенные регуляторные и вспомогательные функции. ВИЧ-1 имеет два важных регуляторных элемента: Tat и Rev и несколько важных дополнительных белков, таких как Nef, Vpr, Vif и Vpu, которые не являются необходимыми для репликации в определенных тканях. Ген gag обеспечивает основную физическую инфраструктуру вируса, а ген pol обеспечивает основной механизм воспроизводства ретровирусов, в то время как другие помогают ВИЧ проникнуть в клетку-хозяин и усилить его размножение. Хотя они могут быть изменены мутацией, все эти гены, кроме tev, существуют во всех известных вариантах ВИЧ; см. Генетическая изменчивость ВИЧ .

ВИЧ использует сложную систему дифференциального сплайсинга РНК для получения девяти различных генных продуктов из генома размером менее 10 килобайт. ВИЧ имеет геномный транскрипт размером 9,2 КБ, который кодирует предшественники gag и pol; однократно сплайсированная мРНК размером 4,5 т.п.н., кодирующая env, Vif, Vpr и Vpu, и мРНК размером 2 т.п.н., кодирующая Tat, Rev и Nef, многократно сплайсированная.

Белки, кодируемые геномом ВИЧ
Класс Имя гена Первичные белковые продукты Обработанные белковые продукты
Структурные белки вирусов кляп Полипротеин рвотного типа MA, CA, SP1, NC, SP2, P6
pol Полипротеин RT, РНКаза H, IN, PR
env gp160 gp120, gp41
Основные регулирующие элементы тат Tat
rev Rev
Дополнительные регуляторные белки неф Неф
впр Впр
vif Vif
впу Впу

Структурные белки вирусов

Капсид ВИЧ состоит примерно из 200 копий белка p24. Структура p24 показана в двух изображениях: карикатура (вверху) и изоповерхность (внизу).
  • gag (группоспецифический антиген) кодирует предшественник полипротеина gag,который процессируется вирусной протеазой во время созревания до MA ( матричный белок , p17); CA (капсидный белок, p24 ); SP1 (спейсерный пептид 1, p2); NC ( нуклеокапсидный белок , p7); SP2 (спейсерный пептид 2, p1) и белок P6.
  • pol кодирует вирусные ферменты обратной транскриптазы (RT) и РНКазы H , интегразы (IN) и протеазы ВИЧ (PR). Протеаза ВИЧ необходима для расщепления предшественника полипротеина Gag с образованием структурных белков, ОТ требуется для транскрипции ДНК из матрицы РНК, а ИН необходима для интеграции двухцепочечной вирусной ДНК в геном хозяина.
  • env (от «конверта») кодирует gp160 , который расщепляется протеазой хозяина, фурином , в эндоплазматическом ретикулуме клетки-хозяина. Посттрансляционный процессинг производит поверхностный гликопротеин, gp120 или SU, который прикрепляется крецепторам CD4, присутствующим на лимфоцитах, и gp41 или TM, который внедряется в вирусную оболочку, позволяя вирусу прикрепляться к клеткам-мишеням и сливаться с ними.

Основные регулирующие элементы

  • tat (трансактиватор ВИЧ) играет важную роль в регуляции обратной транскрипции РНК вирусного генома, обеспечивая эффективный синтез вирусных мРНК и регулируя высвобождение вирионов из инфицированных клеток. Тат выражаетсявиде 72- аминокислоты , одно- экзона Tat, а также 86-101-амино-кислотыдвумя экзона Tat, и играет важную роль в начале ВИЧинфекции. Tat (14-15 кДа) связывается с выпуклойвторичной структурой « стебель-петля» геномной РНКоколо 5 ' LTR- области, образуя элемент ответа на трансактивацию (TAR) .
  • rev (регулятор экспрессии белков вириона): белок Rev связывается с вирусным геномом через богатый аргинином РНК-связывающий мотив, который также действует как NLS ( сигналы ядерной локализации ), необходимый для транспорта Rev в ядро ​​из цитозоля. во время вирусной репликации. Rev распознает сложную структуру стебель-петля мРНК env, расположенную в интроне, разделяющем кодирующий экзон Tat и Rev, известную как элемент ответа Rev Rev ВИЧ (RRE). Rev важен для синтеза основных вирусных белков и, следовательно, необходим для репликации вируса .

Дополнительные регуляторные белки

Вторичная структура РНК

Стеблевая петля pol-1 ВИЧ
RF01418.png
Прогнозируемая вторичная структура стержневой петли pol-1 ВИЧ
Идентификаторы
Условное обозначение pol
Рфам RF01418
Прочие данные
Тип РНК Снг
Структуры PDB PDBe

В геноме РНК ВИЧ было идентифицировано несколько консервативных элементов вторичной структуры . Структура 5'UTR состоит из серии структур стержень-петля, соединенных небольшими линкерами. Эти стержневые петли (от 5 'до 3') включают элемент области трансактивации (TAR), 5 'сигнал полиаденилирования [поли (A)], PBS, DIS, основной SD и структуру шпильки ψ, расположенную внутри 5'-конец генома и элемент ответа HIV Rev (RRE) в гене env. Другой идентифицированной структурой РНК является петля 3 стебля gag (GSL3) , которая, как полагают, участвует в упаковке вируса. Было высказано предположение, что вторичные структуры РНК влияют на жизненный цикл ВИЧ, изменяя функцию протеазы ВИЧ и обратной транскриптазы , хотя не всем идентифицированным элементам приписана функция.

Вторичная структура РНК, определенная с помощью анализа SHAPE , содержит три петли ствола и расположена между генами протеазы ВИЧ и генами обратной транскриптазы. Было показано, что эта цис- регуляторная РНК сохраняется во всем семействе ВИЧ и, как полагают, влияет на жизненный цикл вируса.

Петля V3

Петли третьи переменные или петля V3 является частью или область вируса иммунодефицита человека . Петли V3 огибающего гликопротеина в Viron, в gp120 , позволяет ему инфицировать клетки иммунной системы человека путем связывания с цитокиновым рецептором на иммунные клетки мишени человека, такие как CCR5 клетка или CXCR4 клетку, в зависимости от штамма ВИЧ . Гликопротеин оболочки (Env) gp 120/41 необходим для проникновения ВИЧ-1 в клетки. Env служит молекулярной мишенью для лекарства, которое лечат людей с инфекцией ВИЧ-1, и источником иммуногена для разработки вакцины против СПИДа. Однако структура функционального тримера Env остается неуловимой.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки