Строение вируса иммунодефицита человека

Содержание

1. 1. ВИЧ как ретровирус: общая характеристика3
2. 2. Липидная оболочка и гликопротеины gp120/gp415
3. 3. Капсид и внутренние белки вируса7
4. 4. Ферменты ВИЧ и их роль в репликации9
5. Список литературы11

1. ВИЧ как ретровирус: общая характеристика

Вирус иммунодефицита человека относится к семейству Retroviridae и роду Lentivirus. Такая классификация напрямую связана с молекулярным устройством вируса и особенностями течения болезни. Название рода переводится с латыни как «медленный» (lentus), что отражает длительный инкубационный период и постепенное разрушение иммунной системы на протяжении многих лет. ВИЧ впервые выделили в 1983 году в Институте Пастера под руководством Люка Монтанье. Уже тогда было понятно, что его репликативный цикл заметно отличается от других известных вирусов.

Зрелый вирион имеет сферическую форму диаметром от 100 до 120 нанометров. Такие размеры характерны для ретровирусов. Они позволяют вирусу свободно перемещаться в биологических жидкостях, сохраняя в целости все компоненты, необходимые для заражения. При этом внутреннее строение вириона довольно сложное и многослойное, что помогает ему выживать вне организма хозяина.

Геном ВИЧ устроен необычно. Он состоит из двух идентичных молекул одноцепочечной РНК положительной полярности, что типично для всех ретровирусов. Обе копии соединяются у 5'-концов и упаковываются в нуклеокапсид. Длина генома около 9,7 тысячи нуклеотидов. Этого объёма хватает для кодирования девяти генов, обеспечивающих полный жизненный цикл вируса. Диплоидность генома не случайна. Во время обратной транскрипции возможна рекомбинация между двумя копиями, что увеличивает генетическое разнообразие потомства и осложняет иммунный ответ.

Снаружи вирион покрыт липидной оболочкой. Это одна из главных особенностей строения ВИЧ. Оболочка не создаётся вирусом самостоятельно, а заимствуется у клетки-хозяина в момент отпочкования. Вирусные белки встраиваются в клеточную мембрану, после чего частица отделяется от клетки. Из-за такого происхождения оболочки ВИЧ чувствителен к органическим растворителям и детергентам, разрушающим

липидный бислой. В то же время клеточные липиды дают вирусу определённую защиту во внешней среде, предохраняя внутренние структуры от ферментов и перепадов температуры.

В липидную оболочку встроены вирусные гликопротеиновые комплексы, образующие на поверхности вириона характерные «шипы». Их подробное строение и функции в этом разделе не разбираются, поскольку требуют отдельного рассмотрения. наличие оболочки отличает ВИЧ от безоболочечных вирусов и определяет его уязвимость к спиртовым дезинфектантам. По данным учебного пособия Уральского государственного медицинского университета, 70% этанол и 3% перекись водорода инактивируют вирус за одну минуту. Это свойство широко используется в медицине для профилактики передачи инфекции.

Общая организация вириона ВИЧ следует логике ретровирусов: сферическая форма, диплоидный РНК-геном и липидная оболочка клеточного происхождения. Такая структура позволяет вирусу проникать в клетки, сохранять генетическую информацию и уходить от иммунного надзора. Без понимания этих базовых принципов сложно перейти к детальному разбору отдельных компонентов вириона, каждому из которых в следующих главах будет посвящён отдельный раздел.

2. Липидная оболочка и гликопротеины gp120/gp41

Вирус иммунодефицита человека устроен как оболочечный вирус: его сердцевина окружена липидным бислоем, который вирус не синтезирует сам. Эту мембрану он захватывает у клетки-хозяина, когда дочерние вирионы отпочковываются наружу. Вместе с клеточными липидами вирус забирает и часть поверхностных белков. Главное в этой оболочке, встроенные в неё вирусные гликопротеины, потому что именно они определяют способность ВИЧ заражать новые клетки.

На поверхности вириона есть два ключевых белка: gp120 и gp41. Они собираются в комплексы, которые в литературе называют шипами. Каждый шип состоит из трёх молекул gp120 и трёх молекул gp41, то есть представляет собой тример. Такая тримерная организация не случайна. За счёт неё белки плотно и стабильно закрепляются в мембране, а это необходимо для последующих конформационных перестроек. В составе gp120 выделяют пять вариабельных петель, структура которых постоянно меняется. Так вирус ускользает от нейтрализующих антител: те просто не успевают «узнать» быстро мутирующую мишень.

Проникновение вируса в клетку начинается с того, что gp120 связывается с рецептором CD4. Этот рецептор расположен на поверхности Т-лимфоцитов и макрофагов. Однако одного такого контакта недостаточно. Чтобы проникнуть внутрь, gp120 должен затем взаимодействовать с корецептором. В этой роли выступают хемокиновые рецепторы CCR5 или CXCR4. Тропизм вируса зависит от того, с каким именно корецептором он работает. Штаммы, использующие CCR5, обычно доминируют на ранних стадиях инфекции, а варианты, ориентированные на CXCR4, чаще появляются позже и связаны с более быстрым падением числа CD4-лимфоцитов. После связывания с корецептором в gp120 происходят структурные изменения, которые передаются на gp41.

Белок gp41, в отличие от gp120, погружён в липидный бислой и работает как «молекулярный гарпун». На его N-концевом участке находится слиятельный пептид. При конформационном сдвиге этот пептид высвобождается и вонзается в мембрану клетки-мишени. Затем gp41 складывается в характерную структуру «шпильки». Два участка белка, называемые гептадными повторами, сближаются и стягивают вирусную и клеточную мембраны, как молнию. В итоге образуется пора слияния, через которую капсид вируса попадает в цитоплазму. Именно этот механизм делает gp41 удобной мишенью для лекарств. Энфувиртид, одобренный в 2003 году, блокирует сворачивание гептадных повторов, и слияние мембран останавливается на середине пути.

Липидная оболочка ВИЧ неоднородна по составу. В ней заметно больше холестерина и сфинголипидов, чем в обычной плазматической мембране клетки. Такие «липидные плоты» помогают локально концентрировать gp120/gp41 в определённых участках вириона, что повышает эффективность прикрепления к клетке. Стоит подчеркнуть: именно липидная мембрана делает ВИЧ уязвимым для спиртов и детергентов, которые разрушают её структуру. Вирус, лишённый оболочки, теряет инфекционность, потому что без gp120 и gp41 он не способен ни прикрепиться к клетке, ни слиться с ней.

3. Капсид и внутренние белки вируса

Под липидным бислоем, заимствованным у клетки-хозяина, находится каркас, который определяет форму вириона и его устойчивость. Этот слой сформирован матриксным белком p17. Он выстилает внутреннюю поверхность мембраны и работает как мост между оболочкой и ядром вируса. Без p17 сборка новых частиц пошла бы хаотично: именно этот белок направляет вирусные компоненты к месту отпочкования и связывает оболочку с капсидом.

Центральная часть вириона, капсид. У многих вирусов капсид имеет икосаэдрическую симметрию, но у ВИЧ он усечённой конической формы. Такая геометрия не случайна. Капсид собирается примерно из 1500 копий белка p24, который служит основным строительным материалом. Молекулы p24 образуют гексамерные и пентамерные кольца. За счёт этого капсид изгибается и формирует замкнутую структуру с острыми концами. На снимках электронной микроскопии внутри зрелого вириона капсид выглядит как плотный тёмный конус.

Внутри конуса заключён нуклеокапсид. Его основу составляет белок p7, который плотно связан с геномной РНК. p7 действует как молекулярный «упаковщик»: он связывает две копии одноцепочечной РНК и укладывает их так, чтобы они поместились в ограниченном пространстве капсида. Рядом с нуклеокапсидом находятся ферменты, нужные для первых этапов заражения. Все эти компоненты, РНК и белки, находятся в концентрированном растворе внутри капсида.

Главная задача капсида, защита. Вирусная РНК и ферменты крайне уязвимы: в цитоплазме клетки-хозяина их быстро уничтожили бы нуклеазы и протеазы. Плотная оболочка из p24 изолирует генетический материал от этих агрессивных факторов. Помимо этого, капсид сохраняет целостность генома при переходе вируса из клетки в клетку. По данным криоэлектронной томографии, опубликованным в журнале

Nature, стенка капсида содержит поры диаметром около 1,5 нанометра. Через них внутрь проходят нуклеотиды, необходимые для обратной транскрипции, а крупные ферменты клетки проникнуть туда не могут.

Капсид не статичен. Вскоре после проникновения вируса в цитоплазму он разрушается и высвобождает содержимое для репликации. Процесс «раздевания» капсида (uncoating) происходит вблизи ядра и регулируется клеточным фактором CypA. Тонкая регуляция позволяет вирусу использовать собственную структуру как таймер: слишком ранний распад делает РНК уязвимой, а слишком поздний блокирует доступ ферментов к субстратам. Так конический капсид из простого контейнера превращается в динамичный элемент инфекционного цикла.

4. Ферменты ВИЧ и их роль в репликации

После того как вирус проникает в цитоплазму клетки, начинается этап, который радикально отличает ВИЧ от большинства других вирусов. Геном вируса представлен одноцепочечной РНК, но для встраивания в клеточный геном ей необходима двуцепочечная ДНК. Этот переход осуществляет фермент обратная транскриптаза, которая прибывает в клетку вместе с вирусным геномом внутри капсида.

Обратная транскриптаза ВИЧ, полифункциональный белок с двумя ферментативными активностями. Сначала она синтезирует ДНК-копию на матрице вирусной РНК, затем, используя рибонуклеазную активность, разрушает РНК-цепь в образовавшемся гибриде и достраивает вторую цепь ДНК. Этот процесс далеко не идеален: фермент работает с высокой частотой ошибок, примерно одна мутация на десять тысяч нуклеотидов. В сочетании с быстрой репликацией вируса это создаёт огромное генетическое разнообразие, позволяя ВИЧ ускользать от иммунного ответа и быстро приобретать устойчивость к лекарствам.

Полученная двуцепочечная ДНК транспортируется в ядро. Здесь в дело вступает второй фермент, интеграза. Она узнаёт специфические последовательности на концах вирусной ДНК и катализирует её встраивание в хромосому клетки-хозяина. Интеграза разрезает клеточную ДНК и ковалентно сшивает с ней вирусный геном. С этого момента вирусная ДНК становится провирусом и реплицируется вместе с клеточной ДНК при каждом делении клетки. Такое встраивание обеспечивает пожизненное сохранение вируса в организме. Именно на этом этапе возникает латентная инфекция, когда провирус существует в клетке, но не производит новых вирусных частиц, оставаясь незаметным для иммунной системы.

Для сборки новых вирионов вирусу необходимо синтезировать структурные белки и ферменты. Они производятся в виде одного длинного полипротеина,

который не может выполнять свои функции без разрезания. Эту задачу выполняет протеаза, третий фермент ВИЧ. Она работает как молекулярные ножницы, разрезая полипротеин на отдельные функциональные белки: капсидный белок p24, матриксный белок p17, нуклеокапсидный белок p7 и сами ферменты. Без активной протеазы образуются незрелые, неинфекционные вирусные частицы, которые не способны заражать новые клетки. Протеаза действует на поздних стадиях жизненного цикла, в момент отпочковывания и созревания вириона.

Все три фермента представляют собой привлекательные мишени для лекарственной терапии. Разработка ингибиторов обратной транскриптазы началась ещё в 1980-х годах, когда первый препарат азидотимидин (AZT) был одобрен в 1987 году. Сегодня применяются нуклеозидные и ненуклеозидные ингибиторы обратной транскриптазы, а также ингибиторы интегразы и протеазы. Комбинация препаратов, действующих на разные этапы репликации, получила название антиретровирусной терапии (АРТ). Именно она превратила ВИЧ-инфекцию из смертельного заболевания в хроническую управляемую патологию: при правильном лечении вирусная нагрузка снижается до неопределяемого уровня, а продолжительность жизни пациентов приближается к продолжительности жизни здоровых людей.

Однако полная элиминация вируса из организма остаётся недостижимой. Причина в латентном резервуаре, который создаёт интеграза. Вирусная ДНК, встроенная в геном покоящихся клеток памяти, не экспрессирует свои гены и потому недоступна ни иммунной системе, ни большинству препаратов. Это препятствие для полного излечения, и именно поэтому разработка новых стратегий, нацеленных на латентный резервуар, остаётся одним из главных направлений современной вирусологии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вирус иммунодефицита человека — Википедия — https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%81_%D0%B8%D0%BC%D0%BC%D1%83%D0%BD%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D1%84%D0%B8%D1%86%D0%B8%D1%82%D0%B0_%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D0%B0

2. Вирус иммунодефицита человека: иллюстрированное учебное пособие — http://elib.usma.ru/bitstream/usma/1060/1/UMK_2018_012.pdf

3. Лекция №24. Ретровирусы. Вирус иммунодефицита человека — https://medfsh.ru/wp-content/uploads/2020/10/Lektsiya-24-Retrovirusy.-Virus-immunodefitsita-cheloveka.pdf

4. ВИЧ-инфекция — https://mkgtu.ru/vikon/sveden/files/olo/MU_VICH-infekciya(2).pdf

5. Практическое занятие. ВИЧ-инфекция — https://elearning.volgmed.ru/pluginfile.php/202673/mod_resource/content/2/16_%D0%9F%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D1%87%20%D0%B7%D0%B0%D0%BD_%D0%A2%D0%BE%D1%80%D1%87%20%D0%B8%D0%BD%D1%84_%D0%9C%D0%91%D0%A4.pdf

6. Ретровирусы — http://bsu.bio/molbiol/files/lections/Virusology/Vir7.pdf

7. Структура и геном — ВИЧ — вирус иммунодефицита человека — http://www.medinterm.ru/terms-107-1.html

8. ВИЧ-1: описание, строение и жизненный цикл — https://life4me.plus/ru/articles/1-3-opisanie-stroenie-i-zhiznennyiy-tsikl-virusa/