Дата:
08.09.2010
Подписи
  • Процесс присоединения вирусной частицы к поверхности клетки-мишени и последующее слияние вирусной и клеточной мембран происходит при помощи гликопротеидного комплекса gp120/gp41. Оба белка, входящие в состав этого комплекса, кодируются вирусным геном env и синтезируются сначала в виде белка-предшественника gp160, который по остаткам аспарагина гликозилируется богатыми маннозой олигосахаридами, а затем процессируется с образованием двух субъединиц [1].

  • Гликопротеидные поверхностные комплексы gp120/gp41 формируют тримеры. На поверхности среднего вириона насчитывается около 20 таких тримеров [2, 3]. В зрелом комплексе субъединицы gp120 и gp41 связаны нековалентно. Белок gp41 является трансмембранным, а gp120 связывается на стадии инфекции с рецептором CD4, расположенном на мембране T-лимфоцитов [4].

    В результате взаимодействия gp120 с рецептором CD4 конформация вирусного белка меняется, что дает ему возможность впоследствии связаться с одним из двух корецепторов на поверхности Т-лимфоцита: CCR5 или CXCR4. Это событие влечет за собой конформационные изменения уже в субъединице gp41, которые и провоцируют последующее слияние вирусной и клеточной мембраны [5].

  • Вместе с клеточной мембраной вирусная частица захватывает и некоторые поверхностные белки заражаемых клеток [6]. В данной модели представлены три белка, захваченные вирионом из клетки-хозяина: ICAM-1, HLA-DR1 и DAF.

  • HLA-DR1 (Human Leukocyte Antigen) — это одна из молекул главного комплекса гистосовместимости класса II. Молекулы этого класса участвуют в презентации антигенов CD4+ Т-лимфоцитам и могут связываться с рецепторами CD4 на их поверхности. Наличие молекул HLA в мембране вириона ВИЧ повышает его вирулентность [9].

  • ICAM-1 (Intercellular Adhesion Molecule 1), также известный как CD54) в организме человека участвует в межклеточных взаимодействиях и формировании иммунологических синапсов [7]. Молекула ICAM — это гомодимер, структурно сходный с иммуноглобулинами. Наличие ICAM в оболочке ВИЧ также увеличивает его вирулентность [8].

  • CD55 (также известный как DAF, Decay-accelerating factor) в человеческих клетках участвует в негативной регуляции клеточной системы комплемента, блокируя сборку мембраноатакующего комплекса. Считается, что этот белок в мембране ВИЧ может предохранять вирион от уничтожения иммунной системой [10].

  • Мембраны вирусных частиц ВИЧ формируются из мембран зараженных вирусом клеток. При этом вирусная и клеточная мембраны отличаются по соотношению входящих в их состав липидов. Благодаря этому вирусная мембрана оказывается менее пластичной и отличается от клеточной по ряду других свойств [11].

  • В сравнении с мембраной Т-лимфоцитов, в липидной оболочке ВИЧ содержится существенно больше сфингомиелинов (на), фосфатидилсерина и холестерина, тогда как уровень типичных для клеток млекопитающих фосфатидилхолина и фосфатидилэтаноламина в вирусной мембране ниже в 2–3 раза [12]. Состав вирусной мембраны имеет принципиальное значение для жизнедеятельности ВИЧ. Так, например, ингибирование биосинтеза сфинголипидов может снижать инфекционную способность вируса [13].

  • Вирусные частицы ВИЧ отпочковываются от сравнительно плотных участков клеточной мембраны со специфическим липидным составом — липидных рафтов. Считается, что эти участки выполняют функции доставочных или концентрационных платформ в таких процессах как передача клеточных сигналов, сортировка мембранных белков или формирование клеточной полярности [14].

  • Матрикс, образованный структурным белком MA (matrix protein, также обозначаемый как p17)расположен непосредственно под липидной оболочкой вириона, который, как и три других белка ВИЧ (CA, NC и p6), формирующих капсид, нуклеокапсид и участвующих в сборке и nbsp;созревании вириона, кодируется вирусным геном Gag [15].

  • В зрелом вирионе матрикс состоит из тримеров MA [16]. Каждая из субъединиц тримера связана с молекулой миристиновой кислоты, за счет которой они заякориваются в вирусной мембране [17].

  • Внутри зрелой вирусной частицы ВИЧ находится капсид, содержащий генетический материал вируса, а также белки, часть из которых имеет вирусное происхождение, а часть захватывается вирионом из хозяйской клетки [6].

  • Белок p6, один из продуктов гена Gag, оказывается в зрелом вирионе между матриксом и капсидом. Это совсем небольшой белок, который необходим для эффективного почкования формирующихся вирусных частиц [21].Также этот белок способствует попаданию в вирион белков Vpr [22].

  • Белок Vpr тоже кодируется вирусным геномом и осуществляет ряд важных функций, среди которых индукция ареста клеточного цикла в фазе G2, индукция апоптоза и транспорт вирусного преинтеграционного комплекса в ядро инфицированной клетки [23]. При этом другие регуляторные и вспомогательные белки ВИЧ обычно не присутствуют в зрелом вирионе.

  • Из клеточных цитоплазматических белков, захваченных вирионом при почковании, в пространстве между матриксом и капсидом оказывается существенное количество актина.

  • Актин — это структурный белок. Наряду с другими элементами цитоскелета он важен для формирования вирусных частиц, однако после этого подобные белки не играют роли в жизнедеятельности ВИЧ [24].

  • Капсид ВИЧ имеет форму усеченного конуса. Он формируется из порядка 250 гексамеров и 12 пентамеров белка СА (capsid protein, также обозначаемый p24).

  • Белок СА является продуктом вирусного гена Gag [18]. Наряду с СА, Gag кодирует еще три структурных белка. Продукты этой рамки считывания синтезируются сначала в виде белка-предшественника p55. Начало сборки вирусной частицы происходит, когда p55 связывается с клеточной мембраной. После почкования нового вириона p55 разрезается вирусной протеазой на 4 структурных белка: MA, CA, NC и p6 [19].

  • Соотношение продуктов рамки считывания Gag таково, что не все белки СА участвуют в формировании капсида. Некоторые остаются в виде димеров в пространстве между капсидом и матриксом [20].

  • В непосредственной близости от капсида внутри вириона встречаются некоторые белки хозяйской клетки. В данную модель включен белок циклофилин, который связывается с гексамерами CA.

  • Циклофилин (CypA) — это пептидил-пролиновая изомераза, которая в клетках участвует в процессах фолдинга различных белков. В жизненном цикле ВИЧ циклофилин задействован на стадии распаковки попавшего в цитоплазму клетки капсида [25].

  • Внутри капсида вирусной частицы ВИЧ упакован геном вируса и такие вирусные ферменты как обратная транскриптаза и интеграза. Также в капсиде оказываются захваченные из клетки-хозяина лизиновая тРНК и лизил-тРНК синтетаза [6].

  • Геном вируса иммунодефицита состоит из двух идентичных, не связанных ковалентно одноцепочечных молекул РНК, каждая из которых имеет длину порядка 10000 нуклеотидов [26]. Упаковка РНК внутри капсида осуществляется с помощью структурного белка NC (nucleocapsid protein, также обозначаемый p7), который является продуктом гена Gag.

  • Белок p7 связывает РНК, покрывая участки одноцепочечной молекулы длиной 5 нуклеотидов [27].

  • Вирусная РНК кэпирована с 5’-конца и полиаденилирована с 3’-конца. Помимо этого РНК ВИЧ имеет сайт связывания лизиновой транспортной РНК, которая служит праймером для осуществления обратной транскрипции вирусного генома [28].

  • Интеграза, также как и обратная транскриптаза, является продуктом ретровирусного гена Pol. Она состоит из четырех одинаковых субъединиц и необходима для встраивания вирусной ДНК в геном клетки [32, 33].

  • Молекула лизиновой тРНК присутствует в зрелом капсиде ВИЧ. Она взаимодействует не только с сайтом отжига тРНК-праймера, но и с другими участками геномной РНК вируса [29]. Ее захват из цитоплазмы клетки-хозяина осуществляется совместно с молекулой лизил-тРНК синтетазы.

  • Молекула лизил-тРНК синтетазы при формировании вирусной частицы взаимодействует с вирусным белком p55 [30].

  • Обратная транскриптаза (ревертаза), которая находится в капсиде ВИЧ и после попадания в клетку синтезирует ДНК-копию вирусного генома, является гетеродимером, одна из субъединиц которого обладает РНКазной активностью [31].

Научная 3D модель ВИЧ (вируса иммунодефицита человека) Матрикс вириона ВИЧ Белки в вирионе ВИЧ (вируса иммунодефицита человека) Белки и гены вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) РНК ВИЧ (вируса иммунодефицита человека)
Белки в вирионе ВИЧ Главный комплекс гистосовместимости ВИЧ Молекула клеточной адгезии ВИЧ CD55 - фактор ускорения распада комплемента в вирионе ВИЧ
Белок p17 в вирионе ВИЧ
Белок p6 в вирионе ВИЧ Белок vpr в вирионе ВИЧ
Белок CA в вирионе ВИЧ
Белок p7 в вирионе ВИЧ Транспортная РНК (тРНК) ВИЧ Транспортная РНК (тРНК) ВИЧ Лизил-тРНК синтетаза в вирионе ВИЧ Обратная транскриптаза (ревертаза) в капсиде ВИЧ
Научная 3D модель ВИЧ (вируса иммунодефицита человека) Матрикс вириона ВИЧ Белки в вирионе ВИЧ (вируса иммунодефицита человека) Белки и гены вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) РНК ВИЧ (вируса иммунодефицита человека)
  • Поделиться

Первые разновидности вируса иммунодефицита человека появились в начале XX века в Африке (34). Ближайшими эволюционными предками ВИЧ были аналогичные вирусы обезьян, а первыми заразившимися людьми могли быть охотники, разделовавшие убитых животных. В настоящее время, согласно данным Всемирной организации здравоохранения, ВИЧ заражены почти 37 миллионов человек по всему миру, а в 2015 году от иммунодефицита, вызванного этим вирусом, погибло более миллиона человек (35).

Строение и биология ВИЧ

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ, HIV — Human Immunodeficiency Virus, англ.) относится к роду лентивирусов (Lentivirus) семейства ретровирусов (Retroviridae).ВИЧ заражает преимущественно клетки иммунной системы человека (CD4+ Т-лимфоциты, макрофаги и дендритные клетки).

Уменьшение количества CD4+ Т-лимфоцитов приводит к развитию синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД) (36).

Существует несколько разновидностей ВИЧ, наиболее распространенной из которых является HIV-1. Размеры вирусной частицы ВИЧ варьируют в пределах от 100 до 180 нм. Она окружена мембраной, в которой заякорены поверхностные белковые комплексы. Часть этих комплексов кодируется геномом самого вируса (как продукты гена Env — белки gp120/gp41), а часть (например белки ICAM-1, HLA-DR1, CD55 и ряд других), как и сама мембрана, захватывается из хозяйской клетки. Мембранные белки ВИЧ позволяют вирусной частице взаимодействовать с рецепторами на поверхности клеток-мишеней. После этого мембраны частицы и клетки сливаются, а содержимое вириона попадает внутрь цитоплазмы (4, 6).

Вирион содержит белковый капсид конической формы, в котором находится РНК-геном вируса и ферменты, обеспечивающие его размножение в клетке (15). Внутри частицы ВИЧ, как и на поверхности его мембраны, помимо белков, кодируемых геномом самого вируса, находятся белки, захваченные из клетки-хозяина.

После проникновения внутрь клетки обратная транскриптаза ВИЧ синтезирует ДНК-копию его генома, которая встраивается в клеточный геном, образуя провирус. Впоследствии клеточные ферменты синтезируют на матрице провируса новые молекулы вирусной РНК, а также регуляторные и структурные белки вируса. Образовавшиеся вирусные белки осуществляют сборку и почкование новых вирусных частиц (37).

Геном вируса иммунодефицита человека представлен двумя идентичными молекулами РНК, каждая из которых имеет длину чуть меньше 10000 нуклеотидов. Всего геном включает 9 генов. Они кодируют 15 различных белков (38).

За синтез основных белковых продуктов ВИЧ ответственны гены (открытые рамки считывания) Gag, Pol и Env. Рамка Gag кодирует структурные белки. Ее продукты связываются с вирусной мембраной, формируют капсид и упаковывают геномную РНК. Рамка Pol кодирует ферменты, необходимые для размножения вируса и интеграции его генетического материала в геном клетки. Рамка Env отвечает за синтез поверхностных рецепторов, которые позволяют ВИЧ связываться с клетками-мишенями и заражать их. Продукты остальных генов ВИЧ (такие как Tat, Rev, Vif, Vpr, Vpu и Nef) осуществляют некоторые изменения в метаболизме клетки-хозяина, регулируют процессы размножения и сборки вируса, а также подавляют активность клеточных противовирусных систем (38).

Модель вируса

Данная модель вируса иммунодефицита человека объединяет результаты более 100 научных публикаций ведущих специалистов в области вирусологии, рентгеноструктурного анализа и ЯМР-спектроскопии. В ней воссозданы установленные к настоящему времени точные пространственные структуры 17 белков вирусного и клеточного происхождения в различныхконформациях (с учетом межбелковых взаимодействий), а также структуры трансмембранных участков ряда белков и их гликозилированных форм.

Для моделирования мембраны вирусной частицы потребовалось более 160 тысяч молекул липидов 8 видов в соотношениях, характерных для реальной частицы ВИЧ.

Задача построения научно достоверных моделей вирусов, решаемая в рамках некоммерческого проекта Viral Park компании Visual Science, осложняется тем, что ни один из имеющихся на сегодняшний день научных подходов, будучи применён отдельно от других, не позволяет получить изображение целой вирусной частицы в атомном или даже молекулярном разрешении. Тем не менее, сотни работ разных авторов со всего мира проливают свет на многие вопросы структуры и морфологии компонентов вирионов, а также их взаимодействия. При тщательном анализе всех научных работ, с учетом мнений признанных экспертов из мировых научных центров и помощи специалистов Отдела молекулярного моделирования компании Visual Science, методами структурной биоинформатики заполняющих пробелы в имеющихся исследованиях по молекулярной биологии, вирусологии и кристаллографии, появляется возможность создать максимально точные и достоверные модели вирусов, которые и представлены в проекте Viral Park.

Показать ссылки
  • Руководитель проекта, молекулярный моделлер, визуализатор:
    Иван Константинов
  • Научный консультант, автор текста:
    Юрий Стефанов (к. б. н.)
  • 3D-моделлер:
    Александр Ковалевский
  • Приглашенный научный консультант:
    Егор Воронин (к. б. н., Global HIV Vaccine Enterprise)
  • Вэб-технолог:
    Кирилл Гришанин
  • Флеш-технолог:
    Максим Гришаев
Перед студией стояла задача сформировать современный, нестандартный, легкий и лаконичный стиль, который точно отразит специфику компании. Команда «Visual Science» отлично справилась с задачей, продемонстрировав высокий профессиональный уровень и умение создавать дизайн безупречного качества.
Д.А. Сахаров, к. б. н., генеральный директор НТЦ "БиоКлиникум"