Вирусы иммунодефицита человека ( ВИЧ ) — это два вида лентивирусов (подгруппа ретровирусов ), которые заражают людей. Со временем они вызывают синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД), [1] [2] состояние, при котором прогрессирующий отказ иммунной системы позволяет опасным для жизни оппортунистическим инфекциям и раковым заболеваниям процветать. [3] Без лечения среднее время выживания после заражения ВИЧ оценивается в 9–11 лет в зависимости от подтипа ВИЧ . [4]
В большинстве случаев ВИЧ является инфекцией, передающейся половым путем , и происходит при контакте или передаче крови , предэякулята , спермы и вагинальных жидкостей . [5] [6] Неполовой путь передачи может происходить от инфицированной матери к ее ребенку во время беременности , во время родов при контакте с ее кровью или вагинальными жидкостями, а также через грудное молоко . [7] [8] [9] [10] В этих жидкостях организма ВИЧ присутствует как в виде свободных вирусных частиц, так и в виде вируса внутри инфицированных иммунных клеток . Исследования показали (как для однополых, так и для разнополых пар), что ВИЧ не заразен во время полового акта без презерватива, если ВИЧ-положительный партнер имеет постоянно неопределяемую вирусную нагрузку . [5] [6]
ВИЧ заражает жизненно важные клетки иммунной системы человека, такие как хелперные Т-клетки (в частности, Т-клетки CD4 + ), макрофаги и дендритные клетки . [11] ВИЧ-инфекция приводит к низкому уровню Т-клеток CD4 + посредством ряда механизмов, включая пироптоз абортивно инфицированных Т-клеток, [12] апоптоз неинфицированных клеток-свидетелей, [13] прямое вирусное уничтожение инфицированных клеток и уничтожение инфицированных Т-клеток CD4 + цитотоксическими лимфоцитами CD8 + , которые распознают инфицированные клетки. [14] Когда количество Т-клеток CD4 + падает ниже критического уровня, клеточный иммунитет теряется, и организм становится все более восприимчивым к оппортунистическим инфекциям, что приводит к развитию СПИДа.
ВИЧ является представителем рода Lentivirus , [ 15] части семейства Retroviridae . [16] Лентивирусы имеют много общих морфологий и биологических свойств. Многие виды заражаются лентивирусами, которые характеризуются длительными заболеваниями с длительным инкубационным периодом . [17] Лентивирусы передаются как одноцепочечные , положительно- полярные , оболочечные РНК-вирусы . При проникновении в клетку-мишень вирусный РНК- геном преобразуется (обратно транскрибируется) в двухцепочечную ДНК с помощью вирусно-кодируемого фермента, обратной транскриптазы , которая транспортируется вместе с вирусным геномом в вирусной частице. Полученная вирусная ДНК затем импортируется в ядро клетки и интегрируется в клеточную ДНК с помощью вирусно-кодируемого фермента, интегразы , и кофакторов хозяина . [18] После интеграции вирус может стать латентным , что позволяет вирусу и его клетке-хозяину избегать обнаружения иммунной системой в течение неопределенного периода времени. [19] Вирус может оставаться спящим в организме человека до десяти лет после первичного заражения; в течение этого периода вирус не вызывает симптомов. В качестве альтернативы интегрированная вирусная ДНК может транскрибироваться , производя новые геномы РНК и вирусные белки, используя ресурсы клетки-хозяина, которые упаковываются и высвобождаются из клетки в виде новых вирусных частиц, которые начнут цикл репликации заново.
Были охарактеризованы два типа ВИЧ: ВИЧ-1 и ВИЧ-2. ВИЧ-1 — это вирус, который был первоначально обнаружен и назван как вирусом, ассоциированным с лимфаденопатией (LAV), так и человеческим Т-лимфотропным вирусом 3 (HTLV-III). ВИЧ-1 более вирулентный и более заразный , чем ВИЧ-2, [20] и является причиной большинства случаев заражения ВИЧ во всем мире. Более низкая заразность ВИЧ-2 по сравнению с ВИЧ-1 подразумевает, что меньшее количество людей, подвергшихся воздействию ВИЧ-2, будут инфицированы за один раз. Из-за своей относительно низкой способности к передаче ВИЧ-2 в основном ограничен Западной Африкой . [21]
ВИЧ похож по структуре на другие ретровирусы. Он примерно сферический [22] с диаметром около 120 нм , что примерно в 100 000 раз меньше по объему, чем эритроцит . [23] Он состоит из двух копий положительно -полярной одноцепочечной РНК , которая кодирует девять генов вируса, заключенных в конический капсид, состоящий из 2000 копий вирусного белка p24 . [24] Одноцепочечная РНК тесно связана с белками нуклеокапсида, p7, и ферментами, необходимыми для развития вириона, такими как обратная транскриптаза , протеазы , рибонуклеаза и интеграза . Матрица, состоящая из вирусного белка p17, окружает капсид, обеспечивая целостность частицы вириона. [24]
Это, в свою очередь, окружено вирусной оболочкой , которая состоит из липидного бислоя, взятого из мембраны человеческой клетки-хозяина, когда новообразованная вирусная частица отпочковывается от клетки. Вирусная оболочка содержит белки из клетки-хозяина и относительно небольшое количество копий белка оболочки ВИЧ, [24] который состоит из колпачка, состоящего из трех молекул, известных как гликопротеин (gp) 120 , и стебля, состоящего из трех молекул gp41 , которые закрепляют структуру в вирусной оболочке. [25] [26] Белок оболочки, кодируемый геном env ВИЧ , позволяет вирусу прикрепляться к целевым клеткам и сливать вирусную оболочку с мембраной целевой клетки, высвобождая вирусное содержимое в клетку и инициируя инфекционный цикл. [25]
Как единственный вирусный белок на поверхности вируса, белок оболочки является основной целью для усилий по вакцинации против ВИЧ . [27] Более половины массы тримерного шипа оболочки составляют N-связанные гликаны . Плотность высока, поскольку гликаны защищают лежащий в основе вирусный белок от нейтрализации антителами. Это одна из наиболее плотно гликозилированных известных молекул, и плотность достаточно высока, чтобы предотвратить нормальный процесс созревания гликанов во время биогенеза в эндоплазматическом и аппарате Гольджи. [28] [29] Поэтому большинство гликанов останавливаются как незрелые «высокоманнозные» гликаны, которые обычно не присутствуют в человеческих гликопротеинах, которые секретируются или присутствуют на поверхности клетки. [30] Необычная обработка и высокая плотность означают, что почти все широко нейтрализующие антитела, которые были идентифицированы до сих пор (из подгруппы пациентов, которые были инфицированы в течение многих месяцев или лет), связываются с этими гликанами оболочки или адаптируются для борьбы с ними. [31]
Молекулярная структура вирусного шипа теперь определена с помощью рентгеновской кристаллографии [32] и криогенной электронной микроскопии . [33] Эти достижения в структурной биологии стали возможны благодаря разработке стабильных рекомбинантных форм вирусного шипа путем введения межсубъединичной дисульфидной связи и мутации изолейцина на пролин ( радикальная замена аминокислоты) в gp41. [34] Так называемые тримеры SOSIP не только воспроизводят антигенные свойства нативного вирусного шипа, но и демонстрируют ту же степень незрелых гликанов, что и нативный вирус. [35] Рекомбинантные тримерные вирусные шипы являются многообещающими кандидатами на вакцины, поскольку они демонстрируют меньше ненейтрализующих эпитопов , чем рекомбинантный мономерный gp120, который действует, подавляя иммунный ответ на целевые эпитопы. [36]
Геном РНК состоит по меньшей мере из семи структурных ориентиров ( LTR , TAR , RRE , PE, SLIP, CRS и INS) и девяти генов ( gag , pol и env , tat , rev , nef , vif , vpr , vpu , а иногда и десятого tev , который является слиянием tat , env и rev ), кодирующих 19 белков. Три из этих генов, gag , pol и env , содержат информацию, необходимую для создания структурных белков для новых вирусных частиц. [24] Например, env кодирует белок под названием gp160, который разрезается на две части клеточной протеазой, образуя gp120 и gp41. Шесть оставшихся генов, tat , rev , nef , vif , vpr и vpu (или vpx в случае ВИЧ-2), являются регуляторными генами для белков, которые контролируют способность ВИЧ инфицировать клетки, производить новые копии вируса (реплицироваться) или вызывать заболевание. [24]
Два белка tat (p16 и p14) являются транскрипционными трансактиваторами для промотора LTR , действуя путем связывания элемента РНК TAR. TAR также может быть преобразован в микроРНК , которые регулируют гены апоптоза ERCC1 и IER3 . [37] [38] Белок rev (p19) участвует в перемещении РНК из ядра в цитоплазму путем связывания с элементом РНК RRE . Белок vif (p23) предотвращает действие APOBEC3G (клеточного белка, который дезаминирует цитидин в уридин в одноцепочечной вирусной ДНК и/или препятствует обратной транскрипции [39] ). Белок vpr (p14) останавливает деление клеток в G2/M . Белок nef (p27) подавляет CD4 (основной вирусный рецептор), а также молекулы MHC класса I и класса II . [40] [41] [42]
Nef также взаимодействует с доменами SH3 . Белок vpu (p16) влияет на высвобождение новых вирусных частиц из инфицированных клеток. [24] Концы каждой нити РНК ВИЧ содержат последовательность РНК, называемую длинным концевым повтором (LTR). Области в LTR действуют как переключатели для контроля производства новых вирусов и могут быть вызваны белками либо ВИЧ, либо клетки-хозяина. Элемент Psi участвует в упаковке вирусного генома и распознается белками gag и rev . Элемент SLIP (ТТТТТ) участвует в сдвиге рамки считывания в рамке считывания gag - pol, необходимой для создания функциональной pol . [24]
Термин «вирусный тропизм» относится к типам клеток, которые заражает вирус. ВИЧ может заражать различные иммунные клетки, такие как Т-клетки CD4 + , макрофаги и микроглиальные клетки . Проникновение ВИЧ-1 в макрофаги и Т-клетки CD4 + осуществляется посредством взаимодействия гликопротеинов оболочки вириона (gp120) с молекулой CD4 на мембране клеток-мишеней, а также с корецепторами хемокинов . [25] [43]
Макрофаг-тропные (М-тропные) штаммы ВИЧ-1 или не- синцитий -индуцирующие штаммы (NSI; теперь называемые вирусами R5 [44] ) используют β -хемокиновый рецептор CCR5 для проникновения и, таким образом, способны реплицироваться как в макрофагах, так и в CD4 + T-клетках. [45] Этот корецептор CCR5 используется почти всеми первичными изолятами ВИЧ-1 независимо от генетического подтипа вируса. Действительно, макрофаги играют ключевую роль в нескольких критических аспектах ВИЧ-инфекции. Они, по-видимому, являются первыми клетками, инфицированными ВИЧ, и, возможно, источником продукции ВИЧ, когда у пациента истощаются клетки CD4 + . Макрофаги и микроглиальные клетки являются клетками, инфицированными ВИЧ в центральной нервной системе . В миндаликах и аденоидах ВИЧ-инфицированных пациентов макрофаги сливаются в многоядерные гигантские клетки , которые продуцируют огромное количество вируса.
Т-тропные штаммы ВИЧ-1 или штаммы, индуцирующие синцитий (SI; теперь называемые вирусами X4 [44] ), реплицируются в первичных CD4 + Т-клетках, а также в макрофагах и используют α -хемокиновый рецептор, CXCR4 , для проникновения. [45] [46] [47]
Штаммы ВИЧ-1 с двойной тропностью считаются переходными штаммами ВИЧ-1 и, таким образом, способны использовать как CCR5, так и CXCR4 в качестве корецепторов для проникновения вируса.
α - хемокин SDF-1 , лиганд для CXCR4, подавляет репликацию Т-тропных изолятов ВИЧ-1. Он делает это путем снижения экспрессии CXCR4 на поверхности клеток-мишеней ВИЧ. М-тропные изоляты ВИЧ-1, которые используют только рецептор CCR5, называются R5; те, которые используют только CXCR4, называются X4, а те, которые используют оба, называются X4R5. Однако использование только корецепторов не объясняет вирусный тропизм, поскольку не все вирусы R5 способны использовать CCR5 на макрофагах для продуктивной инфекции [45], и ВИЧ также может инфицировать подтип миелоидных дендритных клеток [48] , которые, вероятно, представляют собой резервуар , поддерживающий инфекцию, когда количество CD4 + T-клеток снизилось до крайне низкого уровня.
Некоторые люди устойчивы к определенным штаммам ВИЧ. [49] Например, люди с мутацией CCR5-Δ32 устойчивы к заражению вирусом R5, поскольку мутация делает ВИЧ неспособным связываться с этим корецептором, что снижает его способность инфицировать клетки-мишени.
Половой акт является основным способом передачи ВИЧ. Как X4, так и R5 ВИЧ присутствуют в семенной жидкости , что позволяет вирусу передаваться от мужчины к его половому партнеру . Затем вирионы могут инфицировать многочисленные клеточные мишени и распространяться по всему организму. Однако процесс отбора [ необходимо дополнительное объяснение ] приводит к преимущественной передаче вируса R5 через этот путь. [50] [51] [52] У пациентов, инфицированных подтипом B ВИЧ-1, часто наблюдается переключение корецепторов на поздней стадии заболевания и Т-тропные варианты, которые могут инфицировать различные Т-клетки через CXCR4. [53] Затем эти варианты реплицируются более агрессивно с повышенной вирулентностью, что вызывает быстрое истощение Т-клеток, коллапс иммунной системы и оппортунистические инфекции, которые знаменуют собой появление СПИДа. [54] ВИЧ-положительные пациенты приобретают чрезвычайно широкий спектр оппортунистических инфекций, что было особенно проблематично до начала терапии ВААРТ ; Однако те же инфекции были зарегистрированы среди ВИЧ-инфицированных пациентов, обследованных посмертно после начала антиретровирусной терапии. [3] Таким образом, в ходе инфекции вирусная адаптация к использованию CXCR4 вместо CCR5 может быть ключевым шагом в прогрессировании СПИДа. Ряд исследований с участием лиц, инфицированных подтипом B, определили, что от 40 до 50 процентов пациентов со СПИДом могут быть носителями вирусов SI и, как предполагается, фенотипов X4. [55] [56]
ВИЧ-2 гораздо менее патогенен, чем ВИЧ-1, и его распространение по всему миру ограничено Западной Африкой . Принятие «вспомогательных генов» ВИЧ-2 и его более беспорядочная модель использования корецепторов (включая независимость от CD4) могут помочь вирусу в его адаптации, чтобы избежать врожденных факторов ограничения, присутствующих в клетках-хозяевах. Адаптация к использованию обычных клеточных механизмов для обеспечения передачи и продуктивной инфекции также способствовала установлению репликации ВИЧ-2 у людей. Стратегия выживания для любого инфекционного агента заключается не в том, чтобы убить своего хозяина, а в конечном итоге стать комменсальным организмом. Достигнув низкой патогенности, со временем будут отобраны варианты, которые более успешны в передаче. [57]
Вирион ВИЧ проникает в макрофаги и Т-клетки CD4 + путем адсорбции гликопротеинов на своей поверхности к рецепторам на клетке-мишени, после чего происходит слияние вирусной оболочки с мембраной клетки-мишени и высвобождение капсида ВИЧ в клетку. [58] [59]
Проникновение в клетку начинается с взаимодействия тримерного комплекса оболочки ( шипа gp160 ) на вирусной оболочке ВИЧ и как CD4 , так и хемокинового корецептора (обычно либо CCR5 , либо CXCR4 , но известно, что взаимодействуют и другие) на поверхности клетки-мишени. [58] [59] Gp120 связывается с интегрином α 4 β 7 , активируя LFA-1 , центральный интегрин, участвующий в создании вирусологических синапсов , которые способствуют эффективному распространению ВИЧ-1 от клетки к клетке. [60] Шип gp160 содержит связывающие домены как для CD4, так и для хемокиновых рецепторов. [58] [59]
Первый шаг в слиянии включает в себя высокоаффинное присоединение доменов связывания CD4 gp120 к CD4. После того, как gp120 связывается с белком CD4, комплекс оболочки претерпевает структурные изменения, обнажая домены связывания хемокиновых рецепторов gp120 и позволяя им взаимодействовать с целевым хемокиновым рецептором. [58] [59] Это обеспечивает более стабильное двухстороннее присоединение, что позволяет N-концевому пептиду слияния gp41 проникать в клеточную мембрану. [58] [59] Затем взаимодействуют повторяющиеся последовательности в gp41, HR1 и HR2, вызывая коллапс внеклеточной части gp41 в форме шпильки. Эта петлевая структура сближает вирусную и клеточную мембраны, позволяя слияние мембран и последующее проникновение вирусного капсида. [58] [59]
После того, как ВИЧ связался с клеткой-мишенью, в клетку вводятся РНК ВИЧ и различные ферменты, включая обратную транскриптазу, интегразу, рибонуклеазу и протеазу. [58] [ проверка не удалась ] Во время транспорта в ядро с помощью микротрубочек вирусный одноцепочечный РНК-геном транскрибируется в двухцепочечную ДНК, которая затем интегрируется в хромосому хозяина.
ВИЧ может инфицировать дендритные клетки (ДК) этим путем CD4-CCR5, но может быть использован и другой путь, использующий специфичные для маннозы лектиновые рецепторы C-типа, такие как DC-SIGN . [61] ДК являются одними из первых клеток, с которыми сталкивается вирус во время половой передачи. В настоящее время считается, что они играют важную роль, передавая ВИЧ Т-клеткам, когда вирус захватывается в слизистой оболочке ДК. [61] Считается, что наличие FEZ-1 , который естественным образом встречается в нейронах , предотвращает заражение клеток ВИЧ. [62]
Долгое время считалось, что проникновение ВИЧ-1, как и проникновение многих других ретровирусов, происходит исключительно через плазматическую мембрану. Однако совсем недавно сообщалось о продуктивной инфекции посредством pH- независимого, опосредованного клатрином эндоцитоза ВИЧ-1, и недавно было высказано предположение, что это единственный путь продуктивного проникновения. [63] [64] [65] [66] [67]
Вскоре после того, как вирусный капсид проникает в клетку, фермент , называемый обратной транскриптазой, высвобождает одноцепочечный геном РНК с положительным смыслом из прикрепленных вирусных белков и копирует его в молекулу комплементарной ДНК (кДНК). [68] Процесс обратной транскрипции чрезвычайно подвержен ошибкам, и возникающие мутации могут вызвать устойчивость к лекарствам или позволить вирусу обойти иммунную систему организма. Обратная транскриптаза также обладает рибонуклеазной активностью, которая разрушает вирусную РНК во время синтеза кДНК, а также ДНК-зависимой ДНК-полимеразной активностью, которая создает смысловую ДНК из антисмысловой кДНК. [69] Вместе кДНК и ее комплемент образуют двухцепочечную вирусную ДНК, которая затем транспортируется в ядро клетки . Интеграция вирусной ДНК в геном клетки-хозяина осуществляется другим вирусным ферментом, называемым интегразой . [68]
Интегрированная вирусная ДНК может затем находиться в состоянии покоя, на латентной стадии ВИЧ-инфекции. [68] Для активного производства вируса необходимо присутствие определенных клеточных факторов транскрипции , наиболее важным из которых является NF- κ B (ядерный фактор каппа B), который активируется при активации Т-клеток. [70] Это означает, что те клетки, которые с наибольшей вероятностью будут атакованы, проникнуты и впоследствии убиты ВИЧ, — это те, которые активно борются с инфекцией.
Во время репликации вируса интегрированный ДНК- провирус транскрибируется в РНК . Полноразмерные геномные РНК (гРНК) могут быть упакованы в новые вирусные частицы в псевдодиплоидной форме. Избирательность в упаковке объясняется структурными свойствами димерного конформера гРНК. Димер гРНК характеризуется тандемным трехсторонним соединением внутри мономера гРНК, в котором шпильки SD и AUG , отвечающие за сплайсинг и трансляцию соответственно, секвестрированы, а шпилька DIS (сигнал инициации димеризации) открыта. Образование димера гРНК опосредовано взаимодействием «поцелуя» между петлями шпилек DIS мономеров гРНК. В то же время определенные остатки гуанозина в гРНК становятся доступными для связывания белка нуклеокапсида (NC), что приводит к последующей сборке вириона. [71] Также сообщалось, что лабильный димер gRNA достигает более стабильной конформации после связывания NC, в котором как DIS, так и U5:AUG области gRNA участвуют в обширном спаривании оснований. [72]
РНК также может быть обработана для получения зрелых матричных РНК (мРНК). В большинстве случаев эта обработка включает сплайсинг РНК для получения мРНК, которые короче, чем полноразмерный геном. Какая часть РНК удаляется во время сплайсинга РНК, определяет, какая из последовательностей, кодирующих белок ВИЧ, будет транслироваться. [73]
Зрелые мРНК ВИЧ экспортируются из ядра в цитоплазму , где они транслируются для производства белков ВИЧ, включая Rev. По мере того, как производится новый белок Rev, он перемещается в ядро, где связывается с полноразмерными, несплайсированными копиями вирусных РНК и позволяет им покинуть ядро. [74] Некоторые из этих полноразмерных РНК функционируют как мРНК, которые транслируются для производства структурных белков Gag и Env. Белки Gag связываются с копиями генома вирусной РНК, чтобы упаковать их в новые вирусные частицы. [75] ВИЧ-1 и ВИЧ-2, по-видимому, упаковывают свои РНК по-разному. [76] [77] ВИЧ-1 будет связываться с любой подходящей РНК. [78] ВИЧ-2 будет преимущественно связываться с мРНК, которая была использована для создания самого белка Gag. [79]
Два РНК-генома инкапсулированы в каждой частице ВИЧ-1 (см. Структура и геном ВИЧ ). При инфицировании и репликации, катализируемой обратной транскриптазой, может произойти рекомбинация между двумя геномами. [80] [81] Рекомбинация происходит, когда одноцепочечные положительно-полярные РНК-геномы подвергаются обратной транскрипции для образования ДНК. Во время обратной транскрипции зарождающаяся ДНК может переключаться несколько раз между двумя копиями вирусной РНК. Эта форма рекомбинации известна как выборочная копия. События рекомбинации могут происходить по всему геному. В каждом цикле репликации может происходить от двух до 20 событий рекомбинации на геном, и эти события могут быстро перетасовывать генетическую информацию, которая передается от родительских геномов к потомству. [81]
Вирусная рекомбинация производит генетическую изменчивость, которая, вероятно, способствует развитию устойчивости к антиретровирусной терапии . [82] Рекомбинация также может способствовать, в принципе, преодолению иммунной защиты хозяина. Тем не менее, для реализации адаптивных преимуществ генетической изменчивости, два вирусных генома, упакованные в отдельные заражающие вирусные частицы, должны были возникнуть из отдельных родительских вирусов-предшественников с разной генетической конституцией. Неизвестно, как часто такая смешанная упаковка происходит в естественных условиях. [83]
Бонхёффер и др. [84] предположили, что переключение шаблона обратной транскриптазой действует как процесс восстановления для устранения разрывов в одноцепочечном геноме РНК. Кроме того, Ху и Темин [80] предположили, что рекомбинация является адаптацией для восстановления повреждений в геномах РНК. Переключение нитей (рекомбинация с выбором копии) обратной транскриптазой может генерировать неповрежденную копию геномной ДНК из двух поврежденных копий одноцепочечного генома РНК. Этот взгляд на адаптивное преимущество рекомбинации в ВИЧ может объяснить, почему каждая частица ВИЧ содержит два полных генома, а не один. Более того, взгляд на рекомбинацию как на процесс восстановления подразумевает, что преимущество восстановления может возникать в каждом цикле репликации, и что это преимущество может быть реализовано независимо от того, различаются ли два генома генетически. С точки зрения, что рекомбинация в ВИЧ является процессом восстановления, генерация рекомбинационной вариации будет следствием, но не причиной эволюции переключения шаблона. [84]
Инфекция ВИЧ-1 вызывает хроническое воспаление и выработку активных форм кислорода . [85] Таким образом, геном ВИЧ может быть уязвим к окислительному повреждению , включая разрывы в одноцепочечной РНК. Для ВИЧ, как и для вирусов в целом, успешное инфицирование зависит от преодоления стратегий защиты хозяина, которые часто включают выработку повреждающих геном активных форм кислорода. Таким образом, Мишод и др. [86] предположили, что рекомбинация вирусов является адаптацией для восстановления повреждений генома, и что рекомбинационная вариация является побочным продуктом, который может обеспечить отдельную выгоду.
Последний этап вирусного цикла, сборка новых вирионов ВИЧ-1, начинается на плазматической мембране клетки-хозяина. Полипротеин Env (gp160) проходит через эндоплазматический ретикулум и транспортируется в аппарат Гольджи , где он расщепляется фурином , в результате чего образуются два гликопротеина оболочки ВИЧ, gp41 и gp120 . [87] Они транспортируются на плазматическую мембрану клетки-хозяина, где gp41 прикрепляет gp120 к мембране инфицированной клетки. Полипротеины Gag (p55) и Gag-Pol (p160) также связываются с внутренней поверхностью плазматической мембраны вместе с геномной РНК ВИЧ, когда формирующийся вирион начинает отпочковываться от клетки-хозяина. Отпочковавшийся вирион все еще незрелый, поскольку полипротеины gag все еще должны быть расщеплены на фактический матрикс, капсид и нуклеокапсидные белки. Это расщепление опосредовано упакованной вирусной протеазой и может быть ингибировано антиретровирусными препаратами класса ингибиторов протеазы . Различные структурные компоненты затем собираются, чтобы произвести зрелый вирион ВИЧ. [88] Только зрелые вирионы затем способны инфицировать другую клетку.
Классический процесс заражения клетки вирионом можно назвать «бесклеточным распространением», чтобы отличить его от более недавно признанного процесса, называемого «распространением от клетки к клетке». [89] При бесклеточном распространении (см. рисунок) вирусные частицы отпочковываются от инфицированной Т-клетки, попадают в кровь или внеклеточную жидкость , а затем заражают другую Т-клетку после случайной встречи. [89] ВИЧ также может распространяться путем прямой передачи от одной клетки к другой посредством процесса распространения от клетки к клетке, для которого были описаны два пути. Во-первых, инфицированная Т-клетка может передавать вирус непосредственно целевой Т-клетке через вирусологический синапс . [60] [90] Во-вторых, антигенпрезентирующая клетка (АПК), такая как макрофаг или дендритная клетка, может передавать ВИЧ Т-клеткам посредством процесса, который либо включает продуктивную инфекцию (в случае макрофагов), либо захват и передачу вирионов в транс (в случае дендритных клеток). [91] Какой бы путь ни использовался, сообщается, что инфицирование путем передачи от клетки к клетке намного эффективнее, чем бесклеточное распространение вируса. [92] Ряд факторов способствуют этой повышенной эффективности, включая поляризованное почкование вируса к месту контакта клетка-клетка, близкое расположение клеток, что минимизирует диффузию вирионов в жидкой фазе, и кластеризацию рецепторов входа ВИЧ на целевой клетке по направлению к зоне контакта. [90] Считается, что распространение от клетки к клетке особенно важно в лимфоидных тканях , где Т-клетки CD4 + плотно упакованы и, вероятно, часто взаимодействуют. [89] Исследования прижизненной визуализации подтвердили концепцию вирусологического синапса ВИЧ in vivo . [93] Множество механизмов распространения, доступных ВИЧ, способствуют постоянной репликации вируса, несмотря на антиретровирусную терапию. [89] [94]
ВИЧ отличается от многих вирусов тем, что имеет очень высокую генетическую изменчивость . Это разнообразие является результатом его быстрого цикла репликации, с генерацией около 10 10 вирионов каждый день, в сочетании с высокой скоростью мутаций около 3 x 10 −5 на нуклеотидное основание за цикл репликации и рекомбиногенными свойствами обратной транскриптазы. [95] [96] [97]
Этот сложный сценарий приводит к генерации многих вариантов ВИЧ у одного инфицированного пациента в течение одного дня. [95] Эта изменчивость усугубляется, когда одна клетка одновременно инфицируется двумя или более различными штаммами ВИЧ. Когда происходит одновременное инфицирование , геном вирионов потомства может состоять из цепей РНК из двух различных штаммов. Затем этот гибридный вирион заражает новую клетку, где он подвергается репликации. Когда это происходит, обратная транскриптаза, прыгая вперед и назад между двумя различными шаблонами РНК, будет генерировать вновь синтезированную ретровирусную последовательность ДНК , которая является рекомбинантом между двумя родительскими геномами. [95] Эта рекомбинация наиболее очевидна, когда она происходит между подтипами. [95]
Близкородственный вирус иммунодефицита обезьян (SIV) эволюционировал во множество штаммов, классифицируемых по виду естественного хозяина. Считается, что штаммы SIV африканской зеленой мартышки (SIVagm) и дымчатого мангабея (SIVsmm) имеют долгую эволюционную историю со своими хозяевами. Эти хозяева приспособились к присутствию вируса, [98] который присутствует в высоких уровнях в крови хозяина, но вызывает лишь слабый иммунный ответ, [99] не вызывает развития СПИДа у обезьян, [100] и не подвергается обширной мутации и рекомбинации, типичной для ВИЧ-инфекции у людей. [101]
Напротив, когда эти штаммы заражают виды, которые не адаптировались к SIV («гетерологичные» или похожие хозяева, такие как макаки-резусы или яванские макаки ), у животных развивается СПИД, и вирус генерирует генетическое разнообразие, подобное тому, что наблюдается при инфицировании человека ВИЧ. [102] Шимпанзе SIV (SIVcpz), ближайший генетический родственник ВИЧ-1, связан с повышенной смертностью и симптомами, подобными СПИДу, у своего естественного хозяина. [103] SIVcpz, по-видимому, был передан относительно недавно популяциям шимпанзе и человека, поэтому их хозяева еще не адаптировались к вирусу. [98] Этот вирус также утратил функцию гена nef , который присутствует в большинстве SIV. Для непатогенных вариантов SIV nef подавляет активацию Т-клеток через маркер CD3 . Функция Nef в непатогенных формах SIV заключается в подавлении экспрессии воспалительных цитокинов , MHC-1 и сигналов, которые влияют на трафик Т-клеток. В ВИЧ-1 и SIVcpz nef не подавляет активацию Т-клеток и утратил эту функцию. Без этой функции истощение Т-клеток более вероятно, что приводит к иммунодефициту. [103] [104]
На основе различий в области оболочки ( env ) были идентифицированы три группы ВИЧ-1: M, N и O. [105] Группа M является наиболее распространенной и подразделяется на восемь подтипов (или клад ) на основе всего генома, которые географически различны. [106] Наиболее распространенными являются подтипы B (встречаются в основном в Северной Америке и Европе), A и D (встречаются в основном в Африке) и C (встречаются в основном в Африке и Азии); эти подтипы образуют ветви на филогенетическом дереве, представляющем линию группы M ВИЧ-1. Коинфекция с различными подтипами приводит к появлению циркулирующих рекомбинантных форм (CRF). В 2000 году, последнем году, когда проводился анализ глобальной распространенности подтипов, 47,2% инфекций во всем мире были подтипа C, 26,7% - подтипа A/CRF02_AG, 12,3% - подтипа B, 5,3% - подтипа D, 3,2% - CRF_AE, а оставшиеся 5,3% состояли из других подтипов и CRF. [107] Большинство исследований ВИЧ-1 сосредоточены на подтипе B; немногие лаборатории сосредоточены на других подтипах. [108] Существование четвертой группы, «P», было выдвинуто на основе вируса, выделенного в 2009 году. [109] [110] Штамм, по-видимому, произошел от гориллы SIV (SIVgor), впервые выделенного от западных равнинных горилл в 2006 году. [109]
Ближайшим родственником ВИЧ-2 является SIVsm, штамм SIV, обнаруженный у дымчатых мангабов. Поскольку ВИЧ-1 происходит от SIVcpz, а ВИЧ-2 от SIVsm, генетическая последовательность ВИЧ-2 лишь частично гомологична ВИЧ-1 и больше напоминает таковую у SIVsm. [111] [112]
Многие ВИЧ-инфицированные люди не знают, что они инфицированы вирусом. [113] Например, в 2001 году менее 1% сексуально активного городского населения Африки прошли тестирование, а среди сельского населения эта доля еще ниже. [113] Кроме того, в 2001 году только 0,5% беременных женщин, посещавших городские медицинские учреждения, были проконсультированы, протестированы или получили результаты своих тестов. [113] Опять же, эта доля еще ниже в сельских медицинских учреждениях. [113] Поскольку доноры могут не знать о своей инфекции, донорская кровь и продукты крови, используемые в медицине и медицинских исследованиях, регулярно проверяются на ВИЧ. [114]
Тестирование на ВИЧ-1 изначально проводится с использованием иммуноферментного анализа (ИФА) для выявления антител к ВИЧ-1. Образцы с нереактивным результатом первоначального ИФА считаются ВИЧ-отрицательными, если только не произошло нового контакта с инфицированным партнером или партнером с неизвестным ВИЧ-статусом. Образцы с реактивным результатом ИФА тестируются повторно в двух экземплярах. [115] Если результат любого из дублирующих тестов реактивный, образец сообщается как повторно реактивный и проходит подтверждающее тестирование с более специфическим дополнительным тестом (например, полимеразной цепной реакцией (ПЦР), вестерн-блоттингом или, реже, иммунофлуоресцентным анализом (ИФА)). Только образцы, которые повторно реактивны по ИФА и положительны по ИФА или ПЦР или реактивны по вестерн-блоттингу, считаются ВИЧ-положительными и указывают на ВИЧ-инфекцию. Образцы, которые повторно реагируют на ИФА, иногда дают неопределенный результат вестерн-блоттинга, что может быть либо неполным ответом антител на ВИЧ у инфицированного человека, либо неспецифическими реакциями у неинфицированного человека. [116]
Хотя ИФА может использоваться для подтверждения инфекции в этих неоднозначных случаях, этот анализ не используется широко. Как правило, второй образец следует собирать более чем через месяц и повторно тестировать для лиц с неопределенными результатами вестерн-блоттинга. Хотя гораздо менее распространено, тестирование нуклеиновых кислот (например, метод амплификации вирусной РНК или провирусной ДНК) также может помочь в диагностике в определенных ситуациях. [115] Кроме того, несколько протестированных образцов могут дать неубедительные результаты из-за малого количества образца. В этих ситуациях собирается второй образец и тестируется на ВИЧ-инфекцию.
Современное тестирование на ВИЧ является чрезвычайно точным, если принять во внимание период окна . Один скрининговый тест оказывается верным более чем в 99% случаев. [118] Вероятность ложноположительного результата в стандартном двухэтапном протоколе тестирования оценивается примерно в 1 из 250 000 в группе низкого риска. [119] Тестирование после контакта рекомендуется проводить немедленно, а затем через шесть недель, три месяца и шесть месяцев. [120]
Последние рекомендации Центров по контролю и профилактике заболеваний США (CDC) показывают, что тестирование на ВИЧ должно начинаться с комбинированного иммуноферментного анализа на антитела ВИЧ-1 и ВИЧ-2 и антиген p24 . Отрицательный результат исключает воздействие ВИЧ, тогда как положительный результат должен сопровождаться иммуноферментным анализом на дифференциацию антител ВИЧ-1/2 для определения присутствующих антител. Это приводит к четырем возможным сценариям:
Исследования ВИЧ/СПИДа включают в себя все медицинские исследования , направленные на профилактику, лечение или излечение ВИЧ/СПИДа , а также фундаментальные исследования природы ВИЧ как инфекционного агента и СПИДа как заболевания, вызываемого ВИЧ.
Многие правительства и научно-исследовательские институты участвуют в исследованиях ВИЧ/СПИДа. Эти исследования включают в себя вмешательства в поведенческое здоровье , такие как исследования в области полового воспитания , и разработку лекарств , таких как исследования микробицидов для заболеваний, передающихся половым путем , вакцин против ВИЧ и антиретровирусных препаратов . [122] Другие области медицинских исследований включают темы профилактики до и после контакта , профилактики после контакта , обрезания и эффектов ускоренного старения .
Лечение ВИЧ/СПИДа обычно предполагает использование нескольких антиретровирусных препаратов . Во многих частях мира ВИЧ стал хроническим заболеванием, при этом прогрессирование в СПИД встречается все реже.
Латентность ВИЧ и вызванный ею вирусный резервуар в Т-клетках CD4 + , дендритных клетках и макрофагах являются основным препятствием к искоренению вируса. [19] [123]
Хотя ВИЧ очень вирулентный, передача через половой контакт не происходит, когда ВИЧ-положительный человек поддерживает постоянно неопределяемую вирусную нагрузку (<50 копий/мл) из-за антиретровирусного лечения. Эта концепция была впервые предложена Швейцарской федеральной комиссией по СПИДу/ВИЧ в 2008 году в так называемом Швейцарском заявлении . [124] [125] Хотя изначально это было спорно, последующие исследования подтвердили, что риск передачи ВИЧ через половой контакт фактически равен нулю, когда ВИЧ-положительный человек имеет постоянно неопределяемую вирусную нагрузку, концепция, которая теперь широко известна как U=U, или «Неопределяемый = Непередаваемый». [126] [127]
Исследования, которые установили принцип U=U, включают Opposites Attract, [128] PARTNER 1, [129] PARTNER 2 [5] [130] (который был сосредоточен на парах мужчина-мужчина), [131] и HPTN052 [132] (который был сосредоточен на гетеросексуальных парах). [131] В этих исследованиях участвовали пары, где один партнер был ВИЧ-положительным, а другой ВИЧ-отрицательным, и они включали регулярное тестирование на ВИЧ. В этих четырех исследованиях в общей сложности участвовало 4097 пар с четырех континентов, которые сообщили о 151 880 актах секса без презерватива с нулевым филогенетически связанным риском передачи ВИЧ, когда у положительного партнера была неопределяемая вирусная нагрузка. [133] После этих результатов консенсусное заявление U=U, выступающее за использование термина «нулевой риск», было одобрено многочисленными лицами и организациями, включая CDC , Британскую ассоциацию по ВИЧ и медицинский журнал The Lancet . [134]
Кроме того, реактивация вируса простого герпеса 2-го типа (HSV-2) у лиц с генитальным герпесом связана с увеличением количества CD4 + T-клеток, обогащенных CCR-5 , и воспалительных дендритных клеток в дерме изъязвленной кожи гениталий, сохраняющихся даже после заживления язв. Тропизм ВИЧ к CCR-5-положительным клеткам способствует увеличению риска заражения ВИЧ в два-три раза у лиц с генитальным герпесом. Примечательно, что ежедневный прием противовирусных препаратов, таких как ацикловир , не снижает субклиническое воспаление после реактивации и, следовательно, не снижает риск заражения ВИЧ. [135] [136]
Первая новость об «экзотической новой болезни» появилась 18 мая 1981 года в гей-газете New York Native . [137]
СПИД впервые был клинически обнаружен в 1981 году в Соединенных Штатах. [138] Первоначальные случаи были связаны с группой потребителей инъекционных наркотиков и геев с неизвестной причиной нарушения иммунитета, у которых проявились симптомы пневмоцистной пневмонии (PCP или PJP, последний термин признает, что возбудитель теперь называется Pneumocystis jirovecii ), редкой оппортунистической инфекции, которая, как известно, возникает у людей с очень ослабленной иммунной системой. [139] Вскоре после этого исследователи из Медицинской школы Нью-Йоркского университета изучали геев, у которых развивался ранее редкий рак кожи под названием саркома Капоши (СК). [140] [141] Появилось гораздо больше случаев PJP и СК, что вызвало тревогу в Центрах США по контролю и профилактике заболеваний (CDC), и была сформирована целевая группа CDC для мониторинга вспышки. [142] Считается, что самый ранний ретроспективно описанный случай СПИДа произошел в Норвегии в начале 1966 года. [143]
Вначале у CDC не было официального названия для этого заболевания, и они часто ссылались на него через болезни, которые были связаны с ним, например, лимфаденопатия , болезнь, в честь которой первооткрыватели ВИЧ первоначально назвали вирус. [144] [145] Они также использовали саркому Капоши и оппортунистические инфекции , название, под которым в 1981 году была создана целевая группа. [146] В общей прессе был придуман термин GRID , который расшифровывался как иммунодефицит, связанный с геями . [147] CDC, в поисках названия и изучая инфицированные сообщества, придумал «болезнь 4H», поскольку она, по-видимому, выделяла гомосексуалистов, потребителей героина, гемофиликов и гаитян . [148] [149] Однако после того, как было установлено, что СПИД не ограничивается сообществом геев , [146] стало ясно, что термин GRID вводит в заблуждение, и термин AIDS был представлен на встрече в июле 1982 года. [150] К сентябрю 1982 года CDC начал использовать название AIDS. [151]
В 1983 году две отдельные исследовательские группы во главе с американцем Робертом Галло и французскими исследователями Франсуазой Барре-Синусси и Люком Монтанье независимо друг от друга заявили, что новый ретровирус, возможно, заражает пациентов со СПИДом, и опубликовали свои выводы в том же выпуске журнала Science . [152] [145] [153] Галло утверждал, что вирус, который его группа выделила у человека, больного СПИДом, был поразительно похож по форме на другие человеческие Т-лимфотропные вирусы (HTLV), которые его группа была первой, кто изолировал. Галло признал в 1987 году, что вирус, который он, как он утверждал, открыл в 1984 году, на самом деле был вирусом, присланным ему из Франции годом ранее. [154] Группа Галло назвала свой недавно выделенный вирус HTLV-III. Группа Монтанье выделила вирус у пациента, у которого наблюдались отек лимфатических узлов шеи и физическая слабость — два классических симптома первичной ВИЧ-инфекции. Вопреки отчету группы Галло, Монтанье и его коллеги показали, что основные белки этого вируса иммунологически отличаются от белков HTLV-I. Группа Монтанье назвала свой изолированный вирус вирусом, ассоциированным с лимфаденопатией (LAV). [142] Поскольку эти два вируса оказались одинаковыми, в 1986 году LAV и HTLV-III были переименованы в ВИЧ. [155]
Другая группа, работавшая одновременно с группами Монтанье и Галло, была группой Джея А. Леви из Калифорнийского университета в Сан-Франциско . Он независимо открыл вирус СПИДа в 1983 году и назвал его СПИД-ассоциированным ретровирусом (АРВ). [156] Этот вирус сильно отличался от вируса, о котором сообщили группы Монтанье и Галло. Штаммы АРВ впервые указали на гетерогенность изолятов ВИЧ, и некоторые из них остаются классическими примерами вируса СПИДа, обнаруженного в Соединенных Штатах. [157]
Предполагается, что ВИЧ-1 и ВИЧ-2 возникли у нечеловекообразных приматов в Западной и Центральной Африке и, как полагают, перешли к людям (процесс, известный как зооноз ) в начале 20-го века. [158] [159]
ВИЧ-1, по-видимому, возник в Южном Камеруне в результате эволюции SIVcpz, вируса иммунодефицита обезьян (SIV), который заражает диких шимпанзе (ВИЧ-1 происходит от SIVcpz, эндемичного для подвида шимпанзе Pan troglodytes troglodytes ). [160] [161] Ближайшим родственником ВИЧ-2 является SIVsmm, вирус дымчатого мангабея ( Cercocebus atys atys ), обезьяны Старого Света, живущей в прибрежной Западной Африке (от южного Сенегала до западного Кот-д'Ивуара ). [21] Обезьяны Нового Света, такие как совиная обезьяна, устойчивы к инфекции ВИЧ-1, возможно, из-за геномного слияния двух генов вирусной устойчивости. [162]
Считается, что ВИЧ-1 преодолевал видовой барьер по крайней мере трижды, что привело к появлению трех групп вируса: M, N и O. [163]
Существуют доказательства того, что люди, которые участвуют в охоте на диких животных , как охотники или как продавцы мяса диких животных, обычно заражаются SIV. [164] Однако SIV является слабым вирусом, и он обычно подавляется иммунной системой человека в течение нескольких недель после заражения. Считается, что необходимо несколько передач вируса от человека к человеку в быстрой последовательности, чтобы дать ему достаточно времени для мутации в ВИЧ. [165] Кроме того, из-за его относительно низкой скорости передачи от человека к человеку, он может распространяться среди населения только при наличии одного или нескольких каналов передачи с высоким риском, которые, как считается, отсутствовали в Африке до 20-го века.
Конкретные предлагаемые каналы передачи с высоким риском, позволяющие вирусу адаптироваться к людям и распространиться по всему обществу, зависят от предполагаемого времени скрещивания животного с человеком. Генетические исследования вируса предполагают, что самый последний общий предок группы ВИЧ-1 M датируется примерно 1910 годом . [166] Сторонники этой датировки связывают эпидемию ВИЧ с возникновением колониализма и ростом крупных колониальных африканских городов, что привело к социальным изменениям, включая различные модели половых контактов (особенно множественные одновременные партнерства), распространение проституции и сопутствующую высокую частоту заболеваний генитальными язвами (таких как сифилис ) в зарождающихся колониальных городах. [167] Хотя показатели передачи ВИЧ во время вагинального полового акта обычно низкие, они многократно увеличиваются, если у одного из партнеров есть инфекция, передающаяся половым путем, приводящая к генитальным язвам. В начале 1900-х годов колониальные города были известны своей высокой распространенностью проституции и генитальных язв до такой степени, что по состоянию на 1928 год около 45% женщин, проживающих в восточном Леопольдвиле (ныне Киншаса), считались проститутками, а по состоянию на 1933 год около 15% всех жителей того же города были инфицированы одной из форм сифилиса . [167]
Самый ранний, хорошо документированный случай ВИЧ у человека датируется 1959 годом в Бельгийском Конго . [168] Вирус мог присутствовать в Соединенных Штатах еще в середине-конце 1960-х годов, когда у шестнадцатилетнего мужчины по имени Роберт Рейфорд в 1966 году проявились симптомы, а в 1969 году он умер. [169]
Альтернативная и, вероятно, дополнительная гипотеза указывает на широкое использование небезопасных медицинских практик в Африке в годы после Второй мировой войны, таких как нестерильное повторное использование одноразовых шприцев во время кампаний по массовой вакцинации, антибиотикотерапии и лечению малярии. [165] [170] [171] Исследования по определению времени появления последнего общего предка для групп M и O ВИЧ-1, а также групп A и B ВИЧ-2, показывают, что SIV дал начало трансмиссивным линиям ВИЧ на протяжении всего двадцатого века. [172] Распределенное время этих передач людям подразумевает, что для объяснения межвидовой передачи ВИЧ не требуется какого-либо одного внешнего фактора. Это наблюдение согласуется с обоими двумя преобладающими взглядами на происхождение эпидемий ВИЧ, а именно передачей SIV людям во время убоя или разделки инфицированных приматов и колониальной экспансией городов Африки к югу от Сахары. [172]
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )NIAID Энтони С. Фаучи, доктор медицины, и его коллеги обобщают результаты крупных клинических испытаний и когортных исследований, подтверждающих Н=Н. Знаменательное клиническое испытание HPTN 052, финансируемое NIH, показало, что не произошло связанных передач ВИЧ среди сероразличных гетеросексуальных пар ВИЧ, когда партнер, живущий с ВИЧ, имел стойко подавленную вирусную нагрузку. Впоследствии исследования PARTNER и Opposites Attract подтвердили эти результаты и распространили их на пары мужчина-мужчина. ... Успех Н=Н как метода профилактики ВИЧ зависит от достижения и поддержания неопределяемой вирусной нагрузки путем ежедневного приема АРТ в соответствии с предписаниями.
Маркс считает, что решающим событием стало появление в Африке миллионов недорогих, массово производимых шприцев в 1950-х годах. ... подозревают, что виноват рост колониальных городов. До 1910 года ни в одном городе Центральной Африки не проживало более 10 000 человек. Но городская миграция возросла, увеличив сексуальные контакты и приведя к появлению кварталов красных фонарей.