Немецким ученым удалось победить вирус иммунодефицита человека

Обновлено: 24.04.2024

Проведя тщательный анализ этого образца, группа ученых во главе с Майклом Уороби (Michael Worobey) из университета Аризоны показала, что этот мужчина был инфицирован ВИЧ — вирусом, вызывающим синдром приобретенного иммунодефицита.

При жизни ни сам мужчина, ни его лечащие врачи об этом не знали. Формально вирус будет открыт лишь 17 лет спустя.

Извлекая крошечные генетические фрагменты из образца ткани, команда Уороби практически полностью реконструировала геном ВИЧ в том виде, в котором он существовал в те годы. А сама работа ученого помогла пролить свет на возникновение того, что станет причиной одной из самых важных пандемий в истории человечества.

В погоне за образцами

Вирус иммунодефицита человека был выявлен в 1980-х, после того как таинственный новый синдром затронул жителей США, и, как казалось, тогда он появился из ниоткуда. На самом деле эпидемия зародилась за несколько десятилетий до этого, просто на совсем другом континенте. В Африке.

Теперь мы можем с уверенностью утверждать, что по мере распространения геном вируса претерпевал постоянные изменения: сравнивая накопившиеся мутации и оценивая время, за которое они произошли, ученые могут проследить историю эволюции вируса вплоть до самого момента возникновения.

по теме

Общество

Наиболее вероятное место его появления — южный Камерун. А приблизительное время — 1920-е годы. Именно там и тогда вирус от шимпанзе перешел к человеку, перед тем как вскоре перебраться в город, известный в наше время как Киншаса.

В густонаселенном и быстрорастущем регионе с множеством потенциальных реципиентов вирус и обосновался, чтобы затем распространиться по всему миру.

Очевидно, что огромное количество людей тогда было инфицировано ВИЧ еще прежде, чем кто-то узнал о его существовании. Образцы тканей некоторых из погибших сохранились до наших дней: они рутинно собирались для исследований патологоанатомами, обрабатывались химическим фиксатором, располагались на восковых подложках, изучались под микроскопом (скорее всего, безрезультатно), а затем отправлялись в хранилище.

Но поскольку вирус до своего появления на Западе не был идентифицирован, определить заранее, какой именно образец ткани, взятый в то время, может содержать его следы, невозможно. Искать следы вируса в таких условиях — все равно что искать иголку в тысяче стогов сена.

Более того, процесс обработки химическим фиксатором и условия хранения образцов, дошедших до нашего времени, были таковы, что негативно влияли на содержащиеся в них РНК — молекулы, составляющие геном ВИЧ.

Вирус ВИЧ под микроскопом. Компьютерная Модель.

Однако нет ничего странного в том, что за два десятилетия поисков ученым удалось найти лишь два образца со следами вируса, собранных в Киншасе в период до его открытия.

Дэвид Хо (David Ho) из университета Рокфеллера (Rockefeller University) нашел следы вируса в образце крови, взятой в 1959 году; Уороби обнаружил их в кусочке лимфатического узла из 1960 года.

В обоих случаях от молекул РНК в целом сохранилось около одного процента. Но даже этих крошечных кусочков оказалось достаточно, чтобы доказать: именно ВИЧ блуждал по Киншасе за десятилетия до его открытия, а также чтобы наметить основные вехи истории его эволюции.

В то же время, ввиду ненадежности фрагментарных свидетельств, Уороби хотел собрать геном полностью. Целиком.

Его коллеги Софи Грисилс и Том Уоттс (Sophie Gryseels and Tom Watts) для этого разработали более точную технологию извлечения РНК и применили ее к более чем 1600 образцам тканей из Университета Киншасы (University of Kinshasa). И один из них, как оказалось, действительно содержал следы вируса.

Скрытая эпидемия. Пути распространения ВИЧ в Африке до того, как вирус попал в США.

Место и время

Извлеченные образцы оказались больше всего похожи на подтип С, наиболее распространенный тип ВИЧ в Африке. Тот, что и сейчас доминирует в южной части континента.

На поверку генетический материал, попавший в руки ученых, является лишь малой частью того разнообразия, которое существовало в Киншасе в 1960-е.

А стало быть, из всех подтипов вируса лишь некоторые из тех, что в то время можно было обнаружить в городе, вырвались наружу, дабы стать общемировой проблемой.

История ВИЧ в датах

1930-е

Исследователи полагают, что приблизительно в 1930-х некая форма вируса иммунодефицита обезьян (SIV) перебралась к людям во время разделки или поедания мяса шимпанзе в Демократической Республике Конго. Этот вирус стали называть ВИЧ-1, и это самый распространенный тип вируса на сегодняшний день.

1959

Первый известный случай заболевания СПИДом выявлен при исследовании образцов плазмы крови мужчины, умершего в Демократической Республике Конго в 1959 году.

1960-е

ВИЧ-2, ареал распространения которого ограничен западной частью Африки, перешел к людям от обезьян вида дымчатый мангобей в Гвинее-Бисау в 1960-х.

Генетический анализ вируса, проведенный в 2003 году, говорит, что именно этот тип, вероятно, впервые перебрался в Соединенные Штаты примерно в 1968 году.

1970-е

На протяжении 1970-х вирус, оставаясь незамеченным, продолжает распространяться по США и остальному миру, начинается эпидемия.

1981

Высокая распространенность двух редких заболеваний — саркомы Капоши и пневмонии — отмечена среди молодых гомосексуальных мужчин в Нью-Йорке и Калифорнии в США. Это первый задокументированный случаи СПИДа. К концу года уже 121 человек умер от таинственного заболевания.

1982

Ученые центра по контролю и профилактике заболеваний (Centers for Disease Control and Prevention, CDC) в Атланте, США, предположили, что нарушение работы иммунной системы среди гей-сообщества вызвано инфекционным заболеванием. Они ввели термин Синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД) и установили, что помимо геев в группу риска входят потребители инъекционных наркотиков, люди гаитянского происхождения и больные гемофилией. К концу 1982 года СПИД был обнаружен на пяти континентах.

1983

Эпидемия СПИДа бурно развивается в Европе: в первую очередь среди гей-сообщества, а также среди людей, имеющих тесные связи с центральной Африкой.

Начинается расследование случаев СПИДа в Руанде, Заире и других африканских странах.

1984

Используя недавно разработанные техники, в ходе нескольких исследований независимо друг от друга Люк Монтанье (Luc Montagnier) из Института Пастера в Париже (the Pasteur Institute in Paris), Франция, и Роберт Галло (Robert Gallo) из Национального института раковых заболеваний (the National Cancer Institute) в Вашингтоне, округ Колумбия, США, обнаруживают ретровирус, ответственный за развитие заболевания, известного как СПИД. Позднее он будет назван вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).

Случаи заболевания СПИДом все чаще начинают появляться в среде гетеросексуалов.

1985

В Атланте, США, проведена первая конференция, посвященная проблемам СПИДа.

Вслед за прошлогодним открытием вируса на рынке появляется первый метод тестирования на ВИЧ, одобренный Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (US Food and Drug Administration, FDA).

В США начинается тестирование крови в донорских пунктах.

1987

Азидотимидин (AZT), также известный как Зидовудин, первый противовирусный препарат, становится доступным для лечения ВИЧ после клинических испытаний. Препарат работает, блокируя действие обратной транскриптазы фермента ВИЧ, не давая вирусу размножаться в клетках. AZT замедляет развитие СПИДа, отдаляя смерть.

К 1987 году 16908 человек умерли от СПИДа в США. Всего Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) сообщила о 71571 случае заболевания СПИДом, из которых 47022 — в США.

По оценкам Всемирной организации здравоохранения, по всему миру носителями ВИЧ являются от 5 до 10 миллионов человек, ВОЗ запускает глобальную программу по борьбе со СПИДом.

1988

ВОЗ объявила 1 декабря всемирным днем борьбы с ВИЧ/СПИДом.

1991

Красная лента стала международным символом борьбы с ВИЧ/СПИДом.

1992

В США СПИД вышел на первое место среди причин смертности мужчин в возрасте от 24 до 44 лет.

Первые комбинированные лекарственные препараты для лечения ВИЧ появляются на рынке, после того как FDA наряду с AZT одобрило использование Zalcitabine (ddC), который также блокирует обратную транскриптазу.

Комбинированные препараты против ВИЧ оказываются более эффективными, а комплексное лечение замедляет развитие лекарственной резистентности.

1994

Использование AZT для предотвращения передачи ВИЧ от матери ребенку во время беременности рекомендовано в США. Исследование показало, что подобная терапия снижает шанс передачи вируса во время беременности до 8 %, в контрольной группе вероятность передачи составляла 25 %.

Через 12 лет после открытия вируса правительство США впервые запускает кампанию в медиа по пропаганде использования барьерных контрацептивов.

1995

ВОЗ объявила о достижении количеством зараженных миллионной отметки, всего же с начала эпидемии ВИЧ вирусом заразились более 19,5 миллиона человек.

1996

Международная инициатива по вакцинации против СПИДа (IAVI) — некоммерческая организация, базирующаяся в Нью-Йорке, — создана для ускорения поиска вакцины против ВИЧ.

90 % всех заболевших теперь проживают в развивающихся и развитых странах.

1997

Впервые благодаря появлению ВААРТ отмечено резкое падение смертности от СПИДа.

ООН объявляет, что к 2010 году 40 миллионов детей могут потерять одного или обоих родителей из-за СПИДа.

1998

Первые полномасштабные испытания вакцины против ВИЧ начинаются в США.

Две команды исследователей начинают разработку вакцин против штаммов ВИЧ, распространенных в странах Африки к югу от Сахары

В Сан-Франциско обнаружен штамм ВИЧ, устойчивый ко всем лекарственным средствам, подавляющим протеазу, которые в то время существовали на рынке. У некоторых пациентов, использующих для лечения ингибиторы протеазы, встречаются необычные побочные эффекты, такие как рост жировых отложений и проблемы с сердцем.

1999

33 миллиона человек инфицированы ВИЧ, а 14 миллионов умерли от СПИДа по всему миру.

СПИД становится одним из четырех самых массовых убийц современности.

2001

Индийская компания начинает продавать копии дорогих запатентованных лекарств против СПИДа через медицинскую благотворительную организацию в Африке. Этот шаг заставляет некоторые фармацевтические компании снижать цены.

2003

5 миллионов новых случаев СПИДа выявлены на протяжении 2003 года — самое большое количество с начала эпидемии. 3 миллиона человек умерли от СПИДа в этом же году.

2005

Около 40 миллионов человек инфицированы ВИЧ по всему миру.

Высокорезистивный штамм вируса, вызывающий быстрое развитие СПИДа, обнаружен в Нью-Йорке, США.

По оценкам ученых, сам ВИЧ возник где-то между 1896 и 1905 годом. Далеко не все вирусы так молоды. Когда ученые впервые обнаружили следы гепатита B времен Бронзового века, они подсчитали, что вирус менялся в 100 раз медленнее, чем предполагалось до этого. Открытие кардинально изменило предполагаемый период его возникновения. Даже ВИО (вирусы иммунодефицита обезьян), ближайшие родственники ВИЧ, поражающие шимпанзе, эволюционировали с разной скоростью в далеком прошлом и в новейшей истории, что делает оценку времени возникновения очень сложной.

В целом именно благодаря этому факту статистическими методами ученым удалось достаточно точно локализовать время и место начала пандемии. Установить, что с 1920-х годов именно Киншаса, ныне столица Демократической Республики Конго, стала центром первого очага эпидемии ВИЧ, а также положила начало эпидемии 1960-х годов в других частях континента.

Отсюда, из Киншасы, вирус прибыл на Гаити примерно в 1964 году. Причиной тому стало возвращение на родину жителей этого островного государства. До середины 60-х многие жители Гаити работали в только что получившем свою независимость Конго в качестве специалистов. И значительная часть гаитянских работников проживала именно в Киншасе.

Миграция из Гаити в США. Вторая половина 60-х тут наблюдается резкий рост. ВИЧ попадет в США именно в этот период.

Уже с Гаити вирус вместе с мигрантами перебрался на материк — в Соединенные Штаты Америки. Где очень быстро распространился среди гомосексуалов, воспользовавшись относительной уязвимостью перед ВИЧ именно этой группы.

Первые смерти от симптомов, крайне похожих на СПИД, будут зафиксированы здесь (преимущественно среди афроамериканских геев) уже в конце 60-х. Накануне знаменитых Стоунвольских бунтов, органично связанных с борьбой за права черного населения Америки и ставших отправной точкой эмансипации ЛГБТ-движения, завершившегося нынешней либерализаций законодательства относительной однополых браков и партнерств практически во всех западных странах.

Работа Уороби подтвердила эти и некоторые другие тезисы. Не на моделях, а на реальном генетическом материале.

Данная схема приема терапии не просто спасала жизни людей, живущих с ВИЧ (при условии доступа к необходимым услугам здравоохранения), она также восстанавливала пораженную вирусом иммунную систему, что позволило людям, принимающим высокоактивную антиретровирусную терапию (АРТ), вести нормальную и здоровую жизнь.

Однако по-прежнему оставались серьезные вызовы, такие как угроза безопасности и труднопереносимые побочные эффекты. Кроме того, необходимо было принимать большое число таблеток в разные часы в течение суток, что создавало проблемы с выполнением условий данных схем. Ситуация со временем улучшилась, и на сегодняшний день большинство ЛЖВ имеют примерно такую же продолжительность жизни, что и люди, живущие без ВИЧ.

Зачем нужно лекарство?

Тем не менее создание лекарства от ВИЧ по-прежнему является труднодостижимой задачей. Даже несмотря на наличие эффективного лечения и профилактики, лекарство от ВИЧ — важная цель. Разумеется, для ЛЖВ изобретение лекарства положит конец в пожизненной необходимости проходить терапию. На сегодняшний день будущее за препаратами долгосрочного действия, однако для 38 миллионов ЛЖВ в мире излечение стало бы идеальной целью. Мировое сообщество смогло бы приблизиться к полному искоренению ВИЧ/СПИДа и снять нагрузку с системы здравоохранения как национального, так и муниципального, и регионального уровней.

В силу этих причин целый ряд государственных деятелей, научные круги, НКО и частный сектор прилагают активные усилия по разработке безопасного и доступного лекарства от ВИЧ. По аналогии с современными схемами антиретровирусной терапии — для полного излечения от ВИЧ могут понадобиться комбинации препаратов и процедур, которые по-разному работают с вирусом. Из-за того что ВИЧ умеет коварно таиться в организме человека, создавая резервуары, не распознаваемые иммунной системой, излечение от ВИЧ может потребовать использование одной из двух основных форм либо их совместное применение (по мнению исследователей, их появление на практике состоится минимум через десятилетие). Эти два подхода носят следующие названия: 1) ремиссия без приема АРТ и 2) полное искоренение вируса.

Неопределяемые без терапии

Большинство подходов, направленных на достижение ремиссии без приема АРТ, включают в себя модификацию иммунной системы с целью установить долгосрочный контроль над вирусом. Исследователи пытаются манипулировать иммунной системой с целью заставить ее распознавать и обезвреживать зараженные ВИЧ клетки или изменять их функционирование, чтобы те лучше справлялись с инфекцией.

Перспективным методом достижения ремиссии без приема АРВТ являются нейтрализующие антитела широкого спектра действия (bNAbs). Эти белки могут предотвратить заражение человеческих клеток практически всеми штаммами ВИЧ и способствовать уничтожению уже инфицированных клеток. Несмотря на то, что такие антитела производятся организмом самостоятельно у некоторых ЛЖВ, обычно их количество слишком мало, чтобы оказать ощутимую пользу, или их выработка производится на слишком позднем сроке после заражения, в результате чего они не способны контролировать быстро размножающийся и мутирующий вирус.

В настоящее время проводятся исследования на животных и людях, принимающих АРТ, с целью определить, способны ли периодические инфузии и инъекции данных антител удерживать ВИЧ в подавленном состоянии после прекращения приема АРТ. Ученые разрабатывают варианты такого вида антител с улучшенными характеристиками, в том числе с большей эффективностью и более длительным пребыванием в организме, а также тестируют лечение комбинациями двух или трех вариантов таких антител.

Полное удаление вируса из организма

Укрепление иммунных клеток для борьбы с ВИЧ. При отсутствии необходимого лечения ВИЧ уничтожает иммунную систему большинства ЛЖВ, со временем приводя к оппортунистическим заболеваниям, связанной с ВИЧ онкологией и к смерти. Тем не менее небольшая доля ЛЖВ не принимает АРТ, при этом их вирус регулярно находится в подавленном состоянии. Каким-то образом их иммунные системы естественным путем защищают организм от вируса и его разрушительного влияния.

С этим также связан феномен людей, которые имели рискованные контакты с ВИЧ-положительными партнерами, но при этом остались не инфицированными — таким образом, их иммунная система защищает их от ВИЧ. Если у исследователей получится воссоздать аналогичный уровень резистентности организма к ВИЧ среди большинства ЛЖВ, то остановка распространения вируса и излечение будут возможными.

Пересадка стволовых клеток. В начале 1990-х ряд исследований показал, что люди с более высокой природной защитой от ВИЧ часто имели мутации в гене, который кодирует белок под названием ССR5 (этот белок возникает на поверхности иммунных клеток человека и используется вирусом для проникновения в клетку с целью дальнейшего инфицирования). Если белок CCR5 не функционирует должным образом или в принципе отсутствует, ВИЧ больше не может поглощать иммунные клетки. Если ученым удастся заблокировать функционирование ССR5 или совсем исключить появление этого белка на поверхности иммунных клеток, у них появится возможность лучше контролировать ВИЧ-инфекцию либо полностью избавить от нее организм.

По предположениям некоторых ученых, если человеку, живущему с ВИЧ, пересадят костный мозг, используя в качестве донора человека с мутацией белка ССR5, его новые клетки смогут восстановить у реципиента иммунную систему, имеющую резистентность к ВИЧ. Однако пересадка костного мозга является сложной и крайне рискованной процедурой, поэтому эту теорию можно протестировать только на тех ЛЖВ, которым жизненно необходима пересадка костного мозга для лечения тяжелой формы рака.

Браун (1996 г. р.) умер в 2020 году после рецидива рака, Кастильехо (родился в Венесуэле в 1980 г.) продолжает жить здоровой жизнью.

Главным вызовом при использовании метода генетического редактирования в клинической практике на данный момент является поиск ответа на вопрос, как доставить редактирующие гены ферменты ко всем клеткам, составляющим резервуар ВИЧ, не подвергая при этом риску безопасность пациента, — для этого необходимо проведение большего количества дополнительных исследований.

Но когда?

Новость

Комплекс-белок Cas9/sgRNA/viral RNA (слева) и модель вируса иммунодефицита человека (справа), построенная коллективом Visual science.

Автор

Редактор

Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!

Спонсор публикации этой статьи — Виктор Татарский.

Врага нужно знать в лицо

Об иммунитете, апоптозе и вообще.

Иммунная система развивалась сотни миллионов лет. По типу реакции ее обычно делят на врожденный (неспецифичный) и приобретенный (специфичный) иммунитет [1], [2]. Считается, что специфичный (то есть вырабатываемый к конкретному патогену) иммунитет впервые появился у челюстноротых (рыб и всех вышестоящих по эволюционному древу таксонов) после отделения от бесчелюстных (миног и миксин), хотя у вторых имеется аналогичная система защиты [3]. К клеткам специфичного иммунитета относят В-лимфоциты, Т-лимфоциты и NK-клетки (естественные киллеры, natural killer cells). Помимо этого существуют моноциты, которые хоть и не являются истинными инструментами приобретенного иммунитета, однако выполняют некоторые функции по нейтрализации патогена: фагоцитоз, презентация антигена, выделение бактерицидных веществ и цитокинов.

Рисунок 1. Взаимодействия Т-киллеров (слева) и Т-хелперов (справа) с зараженными клетками. Для передачи сигнала о заражении необходимо выполнение двух условий: контакт комплекса МНС-патоген с TcR (T-cell Receptor, рецептор Т-клеток) и CD. Двигаясь по организму, Т-лимфоциты проверяют каждую клетку на предмет наличия у нее антигена в комплексе с МНС. Их можно сравнить с подслеповатой глуховатой бабушкой, пришедшей забирать дитятко из детского сада. Для опознания ей надо подойти вплотную и по нескольким (в данном случае по двум) признакам определить, ее ли это чадо или нет.

Т-лимфоциты, в свою очередь, необходимы для уничтожения клеток, зараженных внутриклеточными паразитами, и опухолевых клеток. Они делятся на два основных типа в зависимости от класса рецепторов, находящихся на внешней стороне их мембраны.

Т-киллеры несут CD8 рецепторы и отвечают за:

Т-хелперы имеют CD4 рецепторы и ответственны за секрецию цитокинов, которые:

активируют макрофаги для борьбы с внутриклеточными паразитами;
способствуют продукции антител В-лимфоцитами.

Но не менее важна роль Т-хелперов в подготовке зрелых Т-киллеров из клеток-предшественниц, активации NK-клеток и моноцитов.

Как же происходит опознавание антигена на молекулярном уровне? Здесь надо упомянуть еще об одном очень важном классе рецепторов — МНС (Major Histocompability Complex или главном комплексе гистосовместимости). Они бывают двух классов: I и II. МНС I присутствует на поверхности всех ядерных клеток организма человека. Он необходим для опознавания клетки натуральным киллером и Т-киллером (рис. 1, 2). Если по какой-то причине МНС I изменен, несет на себе антиген или отсутствует, клетка будет подвергнута апоптозу. МНС II находится на поверхности В-лимфоцитов, макрофагов и дендритных клеток. Он необходим для презентации антигена Т-хелперам (рис. 1, 2). Жизнь пула Т-хелперов можно представить как прогулку с ребенком в зоопарке, только вместо животных — антигены, вместо ребенка — Т-хелпер, а вместо взрослых, объясняющих, кто есть кто, — три перечисленных типа клеток.

Рисунок 2. Процесс передачи сигнала Т-киллеру и Т-хелперу. Первый этап — сборка комплекса МНС-антиген, второй этап — презентация комплекса на поверхности клетки.

Первый этап проникновения вируса в клетку — взаимодействие вирусного белка gp120 (рис. 3) с рецептором CD4. Отсюда понятно, почему ВИЧ размножается именно в Т-хелперах. Взаимодействию способствуют корецепторы CCR5 и CXCR4 [8]. В норме они являются рецепторами цитокинов, а при взаимодействии ВИЧ с клеткой их связь является необходимым условием проникновения вируса внутрь. Мутации в генах этих рецепторов обеспечивают частичную устойчивость носителей таких мутаций (таких людей около 2%, причем некоторые штаммы вируса все равно могут их поражать) [9]. Затем в мембрану клетки погружается белок gp41, после чего мембрана вируса сливается с клеточной, и происходит распаковка генетического материала. По принципу обратной транскрипции с РНК-матрицы вируса с помощью фермента ревертазы (обратной транскриптазы) синтезируются молекулы кДНК (комплементарной ДНК). Синтезированная кДНК вставляется вирусной интегразой в геном клетки хозяина. После попадания в геном хозяина вирус может никак себя не проявлять до нескольких лет — протекает так называемый инкубационный период. Только когда клетки активно пролиферируют, а значит, синтезируют белки на матрице ДНК, начинается сборка вирусных частиц , выход их из клеток и гибель последних (так как каждая частица забирает с собой часть клеточной мембраны клетки, вирусы попросту разрывают клетку).

Рисунок 3. Строение ВИЧ. Белки gp120 и gp41 участвуют в рецепции вируса клеткой и проникновении вирусной частицы внутрь. Липидная оболочка захватывается от клетки хозяина вместе с частью мембранных белков. Белки матрикса синтезируются в клетке после встраивания кДНК в геном в момент наработки клеточных белков для деления. Протеаза, возможно, необходима для разрезания противоапоптотического фактора Bcl-2 [9]. Ферменты обратная транскриптаза и интеграза создают кДНК на матрице РНК и встраивают кДНК в геном Т-хелпера соответственно. Tat — белок, вовлеченный в индукцию апоптоза. Нуклеокапсид — комплекс из РНК и белков вируса, представляющий собой компактную упакованную форму генома. Капсид — белковая оболочка, защищающая содержимое от воздействия внешних условий.

Как иммунитет бактерий правит геномы

Система редактирования геномов CRISPR/Cas известна уже довольно давно (впервые локус описал в 1987 году Есизуми Исино из университета Осаки), но только недавно (в 2005 году) ученые поняли ее истинное предназначение [11], [12].

Как вы уже поняли, система состоит из двух компонентов: CRISPR-локуса (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats или сгруппированные и регулярно разделенные короткие палиндромные повторы) и белков Cas, которые, являются нуклеотид-специфичными эндонуклеазами (а название получили за работу в команде с CRISPR — Crispr associated).

Помимо CRISPR-локуса и блока генов Cas в ДНК бактерии (не обязательно в нуклеоиде [12]) находится ген tracrРНК (transactivated crispr RNA), частично комплементарной палиндромам.

Для формирования специфичной устойчивости к вирусу бактерия, как и человек, должна встретиться с ним дважды.

Первый раз после внедрения вирусной ДНК в клетку происходит разрезание ДНК белками Cas1 и Cas2 на протоспейсеры и встраивание их в начало CRISPR-локуса. Cas1 и Cas2 формируют при этом комплекс, причем Cas2 играет только структурную роль, удерживая ДНК, тогда как Cas1 встраивает ее. Каждый протоспейсер вставляется в CRISPR-локус так, чтобы от другого (уже имеющегося) спейсера его отделял палиндром.

Соответственно, после транскрипции ДНК всего комплекса образуются три продукта (рис. 4):

tracrРНК;
РНК белка Cas (наиболее изученным является Cas9, поэтому далее повествование пойдет о нем), далее транслирующаяся;
pre-crРНК (poly-spacer precursor crRNA или многоспейсерный предшественник crРНК), которая представляет собой транскрипт спейсеров, разделенных образовавшимися из палиндромов шпильками или петлями.

Рисунок 4. Строение CRISPR-локуса и результат транскрипции. leader — лидерная последовательность, отвечающая за начало транскрипции, со стороны которой вставляется новый спейсер. repeat — палиндромный повтор, который после транскрипции превращается в шпильку или петлю.

Второй этап — образование комплекса pre-crРНК/Cas9/РНКаза III. Очевидно, что вся длинная pre-crРНК не может участвовать в опознавании инвазивной ДНК, так как, во-первых, очень длинна, что конформационно неудобно, а во-вторых, при сравнении спейсеров РНК с протоспейсерами инвазивной ДНК длинный транскрипт начнет путаться и в итоге образует клубок, непригодный для дальнейшей работы. Самое логичное — разделить длинную последовательность на короткие участки, которые могли бы проверятся на соответствие инвазивной ДНК белком Cas9. И тащить за собой не надо, и не запутается.

С помощью фермента РНКазы III и при участии tracrРНК pre-crРНК разделяется по границам повторов так, что в белково-нуклеиновый комплекс входят один спейсер и один повтор, комплементарно связанный с tracrРНК (рис. 5) [13]. Повтор полностью теряет свою вторичную структуру, tracrРНК же оставляет несколько шпилек (обычно три).

Рисунок 5. Белково-нуклеиновый комплекс после созревания транскрипта. crРНК состоит из спейсера (слева) и повтора, соединенного с частью tracrРНК (справа). Три петли на tracrРНК нужны для удержания ее эндонуклеазой Cas9.

комплементарность спейсера комплекса Cas9/crРНК/tracrРНК протоспейсеру инвазивной (например, вирусной) ДНК;
наличие в геноме вируса около протоспейсера последовательности из трех нуклеотидов — РАМ (Protospacer Adjacent Motif, прилежащий к протоспейсеру мотив).

Таким образом клетка страхуется от уничтожения своей ДНК. Но даже просто разрезанная в одном месте вирусная ДНК может представлять опасность, поэтому завершает инактивацию негомологическое сращивание концов (non-homologous end joining, NHEJ). При этом происходит инсерция/делеция одного или нескольких нуклеотидов, что приводит к потере инфекционности.

Рисунок 6. Полная схема механизма работы CRISPR/Cas9 системы. а — Транскрипция CRISPR локуса с образованием pre-crРНК. б, в — Разрезание РНК РНКазой III и образование комплексов Cas9/tracrРНК/crРНК. г — Вторичное проникновение в клетку чужеродной ДНК. д — Соединение комплекса с инвазивной ДНК. е — Образование двухнитевого разрыва в протоспейсере.

А где же тут редактирование геномов? А вот где:

во-первых, таким образом можно просто нокаутировать целевой ген и добиться прекращения экспрессии того или иного белка;
во-вторых, после создания двухцепочечного разрыва в образовавшуюся брешь можно вставить нужный нам ген и заставить организм синтезировать нужный нам белок.

Рисунок 7. Сравнение искусственной (а) и естественной (б) систем CRISPR/Cas9. Отличие состоит лишь в том, что искусственная РНК едина, а природная — состоит из двух частей, гены которых разделены.

Битва века

Однако вернемся к теме этой статьи.

Так как система редактирования геномов может помочь в избавлении от ВИЧ? Очень просто: вирус можно вырезать! Нацелив Cas9, путем создания sgРНК с последовательностью, комплементарной вирусной кДНК.

Некоторое время назад группа ученых из немецкого Института экспериментальной вирусологии и иммунологии уже пыталась использовать инструмент редактирования геномов для удаления ВИЧ из культуры HeLa [15]. Они модифицировали Cre-рекомбиназу методом направленной эволюции и один из полученных вариантов использовали для удаления вируса путем контролируемой рекомбинации [16]. Однако надо учитывать, что между Т-хелперами и опухолевой HeLa есть немало различий, к тому же, авторы не предлагают вариантов доставки или экспрессии гена Tre-рекомбиназы (усовершенствованный вариант фермента Cre).

С другой стороны, группа американских исследователей опубликовала в марте этого года статью [17], где подробно описывались метод доставки и механизм удаления вируса. Ученые ставили перед собой задачу не только полностью избавить клеточную культуру Т-хелперов от вируса, но и проверить отсутствие цитотоксического действия самой CRISPR/Cas9 системы. Единственный недостаток этого геномного инструмента в том, что из-за сравнительно небольшой длины спейсера, даже при наличии страхующего элемента PAM, в больших геномах могут быть найдены нецелевые сайты, подверженные разрезанию (off-target sites). Именно поэтому исследователи уделяли данной проблеме немало внимания.

Работа проводилась с использованием штамма ВИЧ-1 и клеточной линии Т-хелперов 2D10, зараженной вирусом в покоящейся стадии. Доставка и экспрессия sgРНК/Cas9 осуществлялась с помощью лентивирусного вектора.

Для оценки того, вырезался ли вирус из двух мест встраивания (1-я и 16-я хромосомы), было проведено полногеномное секвенирование. Оно показало, что в клетках, где экспрессировались и гены Cas9, и sgРНК, провирусная ДНК отсутствует.

Был проведен анализ того, могут ли гены, куда встроился провирус (RSBN1 и MSRB1), и близлежащие гены нормально транскрибироваться после его вырезания. Ученые показали, что как RSBN1, так и MSRB1 нормально экспрессируются. Соседние гены также не претерпели изменений.

С помощью биоинформатических методов и анализа баз данных было показано, что sgРНК/Cas9 не проявляет активности по отношению к нецелевым сайтам.

Таким образом, можно с уверенностью сказать, что группа Камински впервые успешно удалила ВИЧ из культуры зараженных Т-хелперов. Данное достижение приблизило человечество к победе на ВИЧ. Да, это только культура клеток. Да, до внедрения данной техники в медицину пройдут годы, а может и десятки лет, но данная работа является уникальной в своем роде, ибо ученые не только бросили вызов одному из страшнейших заболеваний на планете, но и смогли победить его — пусть даже масштаб сражения пока невелик.

Перспективы применения данной технологии очевидны: введя пациенту вектор, содержащий гены Cas9 и sgРНК, мы добьемся их экспрессии и полного удаления вируса из клеток. Современная терапия, направленная против ретровирусов, являющаяся основным средством борьбы с ВИЧ, не удаляет вирус из клеток, так как провирус остается встроенным в ДНК хозяина. В свою очередь, данный подход не оставляет вирусу шансов укрыться.

Обзор

Распространенность СПИДа в мире на 2009 год.

Автор

Редакторы

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.

Иммунная система

Рисунок 1. Упрощенная схема иммунного ответа. Молниями указано, как один тип клеток активирует другие. Мф — макрофаг, Б — бактерия, ТХ — Т-хелпер, ВКл — B-клетка, ПлКл — плазматическая клетка, Ат — антитела, Б+Ат — бактерия, покрытая антителами, привлекающими макрофагов, В — вирус, ЗМф — зараженный макрофаг, ТК — Т-киллер, ЗК — клетка, зараженная вирусом, УК — умирающая (апоптотирующая) клетка, В+Ат — вирус, покрытый антителами.

рисунок автора статьи

Жизненный цикл ВИЧ

Видео. Жизненный цикл ВИЧ.

Таким образом, после того как копия вируса в геноме клетки начинает действовать, на её поверхности появляются знакомые нам белки gp41 и gp120, в цитоплазме — остальные вирусные белки и вирусная РНК. И через некоторое время от зараженной клетки начинают отпочковываться всё новые и новые копии ВИЧ.

Способы уничтожения иммунной системы

При отпочковывании вирус использует клеточную мембрану клетки, и со временем это должно вызвать ее разрушение. К тому же, вирусный белок Vpu вызывает увеличение проницаемости мембраны клетки [6]. При активации вируса в клетке появляется неинтегрированная в геном двуцепочечная ДНК [19], наличие которой может рассматриваться клеткой как повреждение ее генетического материала и индуцировать ее смерть через апоптоз (С точки зрения организма такая клетка потенциально может стать раковой). Помимо этого, вирусные белки напрямую нарушают баланс про- и противоапоптотических белков в клетке. К примеру, вирусная протеаза p10 может разрезать противоапоптотический фактор Bcl-2. Белки Nef [26], Env [22] и Tat [24] вовлечены в возрастание количества клеточных белков CD95 и FasL, служащих индукторами апоптоза по т.н. Fas-опосредованному пути. Белок Tat положительно регулирует каспазу 8 [2] — ключевой фактор индукции апоптоза.

Если же клетки не погибли сами, они активно уничтожаются Т-киллерами. (Это стандартный ответ иммунитета на заражение любыми вирусами.)

Помимо этого, при производстве gp120 и Tat часть их выбрасывается зараженной клеткой в кровоток, а это оказывает токсическое действие на организм [4], [28]. gp120 оседает на все СD4 + -клетки (в том числе и здоровые), что имеет три последствия:

Белок СD4 важен для взаимодействия Т-хелпера с фагоцитом, при слипании же СD4 с gp120 T-хелпер перестает выполнять эту функцию.
На gp120 как на чужеродный белок образуются антитела; после оседания gp120 на здоровые клетки, последние маркируются антителами, и иммунная система их уничтожает [9].
После обильного связывания Т-хелпером gp120 клетка умирает сама. Дело в том, что CD4 — это корецептор. Он усиливает сигнал от TCR (T-cell receptor) — главного белка, позволяющего выполнять Т-клеткам функцию иммунитета. В норме эти рецепторы активируются вместе. Если же активируется один тип рецепторов, но не активируется другой, это является сигналом, что что-то пошло не так, и клетка умирает посредством апоптоза.

Антитела, призванные препятствовать инфекции, в случае с ВИЧ часто, наоборот, ее усиливают [28]. Почему так происходит — не совсем понятно. Одну причину мы рассмотрели выше. Возможно, дело в том, что антитела сшивают несколько вирусных частиц вместе, и в клетку попадает не один, а сразу много вирусов. Помимо этого, антитела активируют клетки иммунитета, а в активированной клетке вирусные белки синтезируются быстрее.

Вдобавок, gp120 и gp41 имеют участки, похожие на участки некоторых белков, участвующих в иммунитете (например, MHC-II [25], IgG [23], компонент системы комплемента Clq-A [14]). В результате на эти участки образуются антитела, способные помимо вируса маркировать совершенно здоровые клетки (если на них будут эти белки), с соответствующими для них последствиями.

Так как на поверхности зараженной клетки появляется gp120, то она, как и вирусная частица, будет сливаться с другими СD4-содержащими клетками, образуя огромную многоядерную клетку (синцитий), неспособную выполнять какие-либо функции и обреченную на смерть.

На самом деле, помимо Т-хелперов, СD4 содержатся во множестве других клеток — предшественниках Т-киллеров/Т-хелперов, дендритных клетках, макрофагах/моноцитах, эозинофилах, микроглии (последние четыре — разновидности фагоцитов), нейронах (!), мегакариоцитах, астроцитах, олигодендроцитах (последние две — клетки, питающие нейроны), клетках поперечно-полосатых мышц и хорионаллантоиса (присутствует в плаценте) [29]. Все эти клетки способны заражаться ВИЧ, но сильно токсичен он лишь для Т-хелперов. Это и определяет основное клиническое проявление СПИДа — сильное снижение количества Т-хелперов в крови. Однако для других клеток заражение тоже не проходит бесследно — у больных СПИДом часто снижена свертываемость крови, имеются неврологические и психиатрические отклонения [16], наблюдается общая слабость.

Пути заражения ВИЧ

Внимание! Ввиду того, что СПИД является венерическим заболеванием, информация, приведенная в этом разделе, может вас оскорбить либо вызвать неприятные эмоции при прочтении. Будьте осторожны.

Рисунок 3. Пути проникновения ВИЧ в организм при половом контакте. Слева указано примерные временные рамки каждого этапа.

Как же происходит первичное заражение человека ВИЧ? Думаю, что с переливанием крови или с использованием общего шприца при употреблении наркотиков читателю все понятно — вирус доставляется напрямую из зараженной крови в здоровую. При вертикальном способе передачи инфекции (от матери к ребенку) заражение может произойти во время внутриутробного развития, в момент родов или в период кормления ребенка грудью (т.к. вирус и зараженные вирусом клетки содержатся в молоке матери) [17], [20]. Тем не менее, даже у ребенка, рожденного от ВИЧ-инфицированной матери, есть шанс остаться здоровым, особенно если мать использует ВААРТ (высокоактивную антиретровирусную терапию) [5]. А почему же люди заражаются при половом контакте?

Механизмы передачи вируса при половом акте не до конца ясны. Тем не менее, они понятны в общих чертах. Итак, рассмотрим барьеры, которые необходимо преодолеть вирусу, чтобы добраться до макрофагов и Т-хелперов. К сожалению, рассматривать особо нечего: барьер только один — это слой эпителиальных клеток и вырабатываемая ими слизь, находящиеся во влагалище (а также пенисе, прямой кишке, глотке). Барьер этот тонок — он может быть всего одну клетку в толщину, — но для вируса труднопреодолим, доказательством чего может служить сравнительно небольшой процент заражений — примерно 1–2 случая на 100 половых контактов. Итак, и какими же путями преодолевает вирус это препятствие?

Наиболее очевидный механизм — это микротравмы. При обычном половом контакте, а особенно при анальном сексе, почти неизбежно появляются микротрещины; при наличии же венерических заболеваний часто возникают изъязвления слизистой. Через эти микротравмы вирус, содержащийся в сперме и влагалищном секрете, может проникнуть к иммунокомпетентным клеткам [17], [20].

Помимо дендритных клеток, в кишечнике существует другой тип клеток, предназначенный для ознакомления организма с антигенами внешней среды. Это так называемые М-клетки, пропускающие через себя довольно крупные объекты неповрежденными из просвета кишечника. В т.ч. через них может проходить и вирион ВИЧ.

Свой вклад в заражение вносит и провоспалительный процесс, в норме присутствующий в женских половых путях из-за наличия в них спермы. Благодаря ему Т-клетки подвержены активации, что способствует их восприимчивости к инфекции.

Итак, риск заразиться ВИЧ возрастает в ряду (Классический секс → Анальный секс → переливание крови / использование общих шприцов при принятии наркотиков). Что же касается орального секса, то весьма небольшой шанс заразиться есть только у принимающей стороны — слюна и тем более желудочный сок инактивирует ВИЧ. Теоретически, этим способом может заразиться и мужчина, но для этого необходимы ранки на пенисе.

При поцелуях и обычных бытовых контактах вирус не передается — он очень неустойчив в окружающей среде .

Заключение

. Все эти факты позволяют надеяться, что вскоре ВИЧ, как и оспа, останется в прошлом.

Читайте также: