Интро.
В первой части мы разобрали историю эпидемии ВИЧ, в второй части разберём этот вирус с точки зрения молекулярной биологии.
За 30 лет непрерывного активного изучения ВИЧ стал одним из самых изученных биологических объектов на планете.
На представленной картинке, полученной с электронного микроскопа, мы видим вирус, окруженный липидной оболочкой, внутри которой находится его геном
Его размер очень маленький - 100 nm
По сравнению с песчинкой этот вирус такого же масштаба как песчинка по отношению к 3-х этажному дому.
Генотип вируса ВИЧ.
В этом вирусе всего 9000 пар оснований, которые составляют 9 генов, которые в свою очередь кодируют 15 белков
Таким образом оказывается, что ВИЧ - это достаточно простой вирус.
Например, если сравнить его с вирусом герпеса, то мы видим такую картину:
Вирус Герпеса 1-го типа содержит 152 тыс. пар оснований и 77 генов, что, как мы видим, во много раз больше чем у вируса ВИЧ.
Ученные давно разобрали функции генов и функции белков вируса иммунодефицита человека.
Это 3 основных гена (на которые, в основном и направлена лекарственна терапия)
Ген Gag (group-specific-antigen) кодирует коровые и структурные белки вируса.
Ген pol (polymerase) кодирует ферменты: обратную транскриптазу (RT), интегразу (IN) и протеазу (PR).
Ген env (envelope) кодирует ретровирусные поверхностные белки вириона.
и 6 вспомогательных генов:
tat, rev, nef, vif, vpr, vpu (vpx у ВИЧ-2) - кодируют белки, отвечающие за способность ВИЧ-1 инфицировать клетки и производить новые копии вируса.
Фенотип вируса.
На приведенном изображении мы видим, как кольцом обозначена липидная оболочка. Типичная для множества вирусов, в том числе таких вирусов, как вирус гриппа, или вируса клещевого энцефалита.
На матричной оболочке находятся поверхностные белки вириона, за счёт которых он входит в клетки человека. Из генетической картины вируса мы помним, что этот белок кодируется геном env.
Внутри оболочки находятся две молекулы РНК, которые несут в себе генетическую информацию. Также внутри оболочки есть ряд вспомогательных белков, обеспечивающих размножение этой РНК внутри клетки человека. К этим белкам относится: Протеаза, Обратная транскриптаза (ривертаза), Интеграза (которая обеспечивает вставку ДНК копии вирусного генома в геном человеческой клетки), а также матриксный белок.
Процесс репликации вируса.
Репликация вируса ВИЧ-1 это процесс, состоящий из множества этапов.
Каждый из которых служит потенциальной мишенью для антиретровирусной терапии.
Этап 1.
Инфицирование CD4+ т-клеток крови. Для проникновения в клетку вирусу требуются определенные типы рецепторов на поверхности клетки, а именно рецептор CD4 и ко-рецепторы CCR5 или CXCR4
Вирусный гликопротеин gp120 прочно связывает рецептор CD4. В результате такого взаимодействия gp120 претерпевает конформационные изменения, которые позволяют ему также связать молекулу корецептора CXCR4 или CCR5 (экспрессируемых на поверхности Т-лимфоцитов, макрофагов, дендритных клеток и микроглии)
Остановимся и посмотрим на терапию на этом этапе.
Класс терапии - Ингибиторы входа
Они вмешиваются в прикрепление ВИЧ к рецепторам CD4+ и параллельных-рецепторов хемокина; это прикрепление требуется для ВИЧ, чтобы попасть в клетки. Например, ингибиторы CCR-5 блокируют рецептор CCR-5.
Примеры лекарств:
Действующее вещество | Торговая марка
Маравирок | Целзентри
Ибализумаб | Трогарзо
Этап 2.
После описанных событий вирусный белок gp41 проникает в мембрану клетки и подвергается значительным конформационным изменениям, вследствие которых мембрана клетки и мембрана вириона ВИЧ сближаются друг с другом и затем сливаются. Вирусный белок gp41 очень важен для слияния мембран, поэтому его рассматривают в качестве мишени для разработки противовирусных препаратов.
Остановимся и посмотрим на терапию на этом этапе.
Класс терапии - Ингибиторы фузии (слияния). Специфически связываясь с гликопротеидом gp41 ВИЧ-1 вне клетки и ингибируя его структурную реаранжировку
Примеры лекарств:
Действующее вещество |Торговая марка
Энфувиртид | Фузеон
Этап 3.
Капсид, окружающий вирусную РНК, нуклеокапсиды, обратную транскриптазу и интегразу , играет ключевую роль в процессе инфицирования. Капсид состоит из амино- и карбоксиконцевых доменов, которые образуют гексамерные и пентамерные кольца. Эти кольца собираются, образуя конусообразную структуру, окружающую вирусную РНК и белки. При попадании в цитоплазму клетки-хозяина капсид проходит процесс развертывания, который высвобождает вирусную РНК и белки в клетку.
Процесс снятия оболочки — это высокоупорядоченный многоступенчатый процесс, в ходе которого капсид ослабевает, а большинство или все белки капсида удаляются из оболочки. Нарушение этого процесса значительно снижает инфекционность вируса. Из-за этого снятие оболочки капсида является благоприятной целью для антиретровирусных препаратов
Итак, раскрытие капсида выпускает внутрь две вирусные РНК и три необходимых для репликации фермента: обратную транскриптазу (RT), интегразу (IN) и протеазу (PR).
В работу вступает обратная транскриптаза и начинает обратную транскрипцию вирусной РНК
Обратная транскриптаза обладает двумя различными ферментативными активностями: ДНК-полимеразной, «копируя» РНК- или ДНК-шаблон в комплементарную ДНК-цепь, и активностью РНКазы H, катализируя расщепление цепи РНК в составе РНК/ДНК дуплекса на маленькие фрагменты — после того, как она уже послужила матрицей для синтеза первой («минусовой») цепи ДНК
Остановимся и посмотрим на терапию на этом этапе.
Класс терапии - ингибиторы капсида
ингибиторы капсида ВИЧ являются антиретровирусными препаратами, которые воздействуют на капсидную оболочку вируса
Примеры лекарств:
Действующее вещество |Торговая марка
Ленакапавир | Sunlenca
Класс терапии - Ингибиторы обратной транскриптазы нуклеозида являются фосфорилированными активными метаболитами, которые борются за проникновение в вирусную ДНК. Они подавляют фермент обратной транскриптазы ВИЧ на принципах конкуренции и останавливают синтез цепей ДНК.
Примеры лекарств:
Все нуклеозидные ингибиторы обратной транскриптазы можно разделить на производные соответствующих нуклеотидных оснований:
- Аналоги тимидина — зидовудин, фосфазид, ставудин, телбивудин, клевудин
- Аналоги аденина — диданозин, адефовир
- Аналоги цитидина — зальцитабин, ламивудин, эмтрицитабин
- Аналоги гуанина — абакавир
- Аналоги аденозина — тенофовир
- Аналоги гуанозина — энтекавир
Класс терапии - Ненуклеозидные ингибиторы обратной транскриптазы связываются непосредственно с ферментом обратной транскриптазы.
Примеры лекарств:
- Делавиридин (Delavirdine)
- Эфавиренз (Efavirenz)
- Невирапин (Nevirapine)
- Этравирин (Etravirine)
- Рилпивирин (Rilpivirine)
Этап 4.
В работу вступает интгеграза.
Данный фермент подготавливает вирусную ДНК, образуя так называемые "липкие концы" и переносит ее в ядро клетки, для последующей вставки в ДНК клетки хозяина.
После этого геном клетки начинает содержать информацию о геноме вируса ВИЧ
Остановимся и посмотрим на терапию на этом этапе.
Класс терапии - Ингибиторы интегразы
Ингибиторы интегразы блокируют фермент вируса, участвующий во встраивании вирусной ДНК в геном клетки-мишени с образованием провируса.
Вирусная ДНК, встроившаяся в хромосому клетки, называется провирусом
Примеры лекарств:
Действующее вещество | Торговая марка
Долутегравир | Тивикай
Элвитегравир | Vitekta
Ралтегравир | Исентресс
Этап 5. Транскрипция мРНК и сборка вирионов.
Провирусы ВИЧ транскрибируются в мРНК
В ядре клеточная РНК-полимераза синтезирует предшественник вирусных информационных РНК (мРНК), длина которого равна длине геномной РНК ВИЧ-1. Этот предшественник мРНК подвергается 5'-концевому кэпированию и 3'-концевому полиаденилированию. Кроме того, предшественник мРНК подвергается сплайсингу.
Геномная РНК вируса, а также вирусные белки транспортируются к местам сборки вирионов — к мембране. Вирионы первоначально формируются из полипротеинов-предшественников структурных белков и ферментов и на этой стадии не являются инфекционными. В ходе созревания вирусной частицы вирусная протеаза расщепляет белки-предшественники до функциональных компонентов. Важную роль при этом играет фермент протеаза.
Остановимся и посмотрим на терапию на этом этапе.
Класс терапии - Ингибиторы протеазы подавляют фермент вирусной протеазы, который крайне важен для созревания незрелых вирионов ВИЧ после того, как они отпочковываются от клеток-хозяев.
Ингибиторы протеазы были вторым классом разработанных антиретровирусных препаратов.
Здесь можно сделать отсылку к 1ой части выпуска ВИЧ с точки зрения биоинформатики. Фрагмент о смерти Фредди Меркури. Как тогда было сказано одного лишь Зудовудина, а он как мы теперь выяснили относится к классу нуклезидных ингибиторов обратной транскриптазы, было недостаточно, чтобы спасти жизнь инфицированного пациента.
Первые препараты этого нового класса — саквинавир, ритонавир и индинавир — были одобрены в конце 1995—1996 гг. В течение 2 лет ежегодная смертность от СПИДа в Соединенных Штатах упала с более чем 50 000 до примерно 18 000. До этого ежегодный уровень смертности увеличивался примерно на 20% каждый год.
Некоторые примеры лекарств:
Действующее вещество | Торговая марка
Лопинавир | Калетра
Атазанавир | Реатаз
Дарунавир | Презиста
Этап 6. Выход из клетки
На этом этапе новообразованный вирус должен покинуть клетку.
В настоящее время (осень 2025 года) АРВ-препаратов, которые блокируют этот этап, не существует, однако несколько таких лекарств находятся в разработке. Это ингибиторы отсоединения, которые препятствуют выходу ВИЧ из клеток CD4.
Давайте посмотрим на авторитетный источник clinicalinfo.hiv.gov
По классу терапии - Ингибиторы созревания (Maturation Inhibitors) можно найти упоминание (на мой взгляд) о достаточно успешных клинических исследованиях препарата под кодовым названием GSK3640254
Субтипы и резистентность ВИЧ-1.
ВИЧ-1 классифицируется на несколько групп, из которых группа M (Major) является основной причиной пандемии во всем мире. Внутри группы M выделяют генетически различные субтипы (или клады), обозначаемые буквами (A, B, C, D, F, G, H, J, K), а также циркулирующие рекомбинантные формы (CRF), которые возникают при инфицировании одним человеком вирусами разных субтипов.
Лекарственная устойчивость (ЛУ) — это снижение чувствительности вируса к антиретровирусным (АРВ) препаратам. Она возникает из-за мутаций в генах вируса, которые кодируют белки-мишени для лекарств (обратную транскриптазу, протеазу, интегразу).
Наличие информации о субтипе и лекарственной устойчивости у конкретного пациента может оказаться очень полезной в клинике. Помочь лечащему врачу с назначением терапии и проведением эпидемиологического расследования.
В третьей и четвертой части мы рассмотрим, как биоинформатические инструменты помогают определять устойчивость вируса к лекарствам и определять его субтип.