Газета «Новости медицины и фармации» 18 (514) 2014

Статья опубликована на с. 16-18 (Мир)

Открытие роли ВИЧ в пандемии СПИДа стало одним из важнейших научных открытий в эпидемиологии во второй половине ХХ в. Это открытие позволило разрабатывать средства и способы диагностики, лечения и специфической профилактики ВИЧ-инфекции, да и сделано оно было на пике убежденности политиков и ученых в способности науки решать любые эпидемические проблемы. В 1980 г. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) объявила о полном искоренении натуральной оспы. На фоне ликования по поводу победы над этим древнем бичом человечества сообщения об открытии возбудителя какой-то малозаразной болезни, поражавшей преимущественно американских гомосексуалистов и жителей Черного континента южнее Сахары, прошли незамеченными. В 1984 г. министр здравоохранения и социальных служб США Маргарет Хеклет заявила, что тестирование ВИЧ-вакцины может начаться через пару лет.

Прошло уже 30 лет, пандемия приобрела такой размах, что о ее существовании власти и СМИ предпочитают молчать, видимо, надеясь на то, что она сама прекратится либо ученые наконец выполнят свое обещание и создадут ВИЧ-вакцину, с помощью которой, по выражению академика РАМН А.А. Воробьева (2003), мы «…покончим со СПИДом, как с натуральной оспой».

Сегодня вряд ли есть другой микроорганизм, изученный столь обстоятельно, как ВИЧ, а результатов в борьбе с вызванной им пандемией нет. Значит, дело не в ВИЧ, а в том процессе, индикатором которого он является. Цель настоящей работы — показать, что проблема ВИЧ/СПИД-пандемии не просто выходит за рамки подходов, позволивших добиться успехов в снижении инфекционной заболеваемости в ХХ в., но и имеет принципиально иной характер.

В работе мы рассмотрим особенности ВИЧ, требующие от нас пересмотра представлений о вызванном им пандемическом процессе; его генетических двойников в геноме человека — эндогенные ретроэлементы и их роль в эволюции человека; причины, по которым не удается создать многократно обещанную нам воробьевыми ВИЧ-вакцину; антиретровирусные системы человека; сравним инфекционные и эпидемические процессы, вызванные ВИЧ и вирусом натуральной оспы (ВНО); применимость опыта борьбы с натуральной оспой к ВИЧ/СПИДу; отдаленные последствия применения антиретровирусных препаратов у ВИЧ-позитивных беременных женщин для профилактики ВИЧ-инфекции у детей.

Провирус вируса иммунодефицита человека и геном человека

Прежде всего, в понимании сложности проблемы ВИЧ/СПИД-пандемии игнорируется то обстоятельство, что вызвавший ее вирус представляет собой ретровирус, т.е. он относится к семейству РНК-вирусов, образующих с помощью фермента обратной транскриптазы ДНК–копию своего генома (провирус), интегрирующуюся с геномом человека в единую молекулу ДНК. Ни один из других ранее открытых вирусов, вызывающих пандемии и эпидемии (натуральной оспы, гриппа и др.), такой способностью не обладает.

До завершения проекта «Геном человека» в 2000 г. способность провируса ВИЧ интегрироваться с геномом человека принималась во внимание только как особенность его жизненного цикла. Но после того как геном человека был расшифрован, стало ясно, что структуры, подобные провирусу ВИЧ, обобщенно называемые ретроэлементами, составляют основную часть структур генома человека, способных перемещаться по геному, — транспозируемых элементов (transposable element). Ретроэлементы занимают не менее 42 % генома человека. Все они, как и провирус ВИЧ, экспрессируют (либо экспрессировали раньше) обратную транскриптазу и распространяются (распространялись) по геному человека в два этапа: образование РНК-транскрипта и его транскрибировавание обратно в ДНК-транскрипт, встраивающийся в хромосому. Классификация транспозируемых элементов, их процентное содержание и приблизительное количество в геноме человека показаны на рис. 1.

Из приведенных на рис. 1 данных следует, что структуры, подобные провирусу ВИЧ, и есть геном человека. Уже только одно это обстоятельство должно было заставить задуматься научный истеблишмент, а действительно ли ВИЧ/СПИД-пандемия представляет собой только медицинскую проблему, которую можно решить в рамках имеющихся представлений об инфекционных и эпидемических процессах?

Организация генома вируса иммунодефицита человека

Чтобы понять, насколько близко друг от друга по структуре и механизму функционирования находятся ВИЧ и ретроэлементы генома человека, сопоставим их организацию.

ВИЧ имеет три основных структурных гена, кодирующих вирусные протеины в следующем порядке: 5’-gag-pol-env-3’:

ген gag — кодирует белки, формирующие «сердцевину» вируса (необходимы для внутриклеточной сборки вируса и его высвобождения из клетки);

ген pol — кодирует ферментную систему вируса (обратную транскриптазу — p66/51; интегразу — p31/33; рибонуклеазу — p31/33);

ген env — определяет способность вируса выходить за пределы клетки и инфицировать другие клетки. Кодирует белки предшественника оболочки вируса — gp160, расщепляющиеся на gp120 и gp41.

Имеются последовательности, необходимые для реализации механизма обратной транскрипции:

1) прямые повторы на 5’- и 3’-концах РНК (LTR — он действует как единица промоции, необходим для транскрипции всего вирусного генома и начала транскрипции отдельных вирусных генов);

2) последовательность из 80–120 нуклеотидов, соседствующая с 5’-концевым прямым повтором (U5);

3) последовательность из 170–1200 нуклеотидов, соседствующая с 3’-концевым прямым повтором (U3);

4) последовательность из 15–20 нуклеотидов (Р), в пределах которой клеточная тРНК спаривается с ретровирусной РНК, что создает праймер для синтеза первой цепи ДНК;

5) сегмент Рu, находящийся непосредственно перед повтором U3 и являющийся сайтом для праймирования второй цепи ДНК.

У ВИЧ шесть регуляторных генов:

tat (transactivator of transcription) — кодируемый им белок является наиболее активным регулятором, обеспечивающим усиление в 1000 раз репликации вируса и регулирующим экспрессию клеточных генов;

rev (regulator of expression of virus proteins) — кодируемый им белок избирательно активирует синтез структурных белков вируса, обеспечивает экспорт из ядра длинных молекул вирусной РНК. На поздних стадиях ВИЧ-инфекции он замедляет синтез регуляторных белков;

nef (negative regulatory factor) — при взаимодействии с LTR кодируемый им белок замедляет транскрипцию вирусных генов. Синхронная функция nef и tat регулирует репликацию вируса таким образом, чтобы она не приводила к гибели клетки-хозяина. Экстрацеллюлярный белок Nef увеличивает миграцию моноцитов, тем самым способствуя распространению по организму ВИЧ и прогрессированию болезни;

vif (virion infectivity factor) — кодируемый им белок необходим для образования функционально полноценных вирусов в определенных типах клеток на поздней стадии инфекции. Белок Vif включается в состав новых вирусов;

vpr — кодируемый им белок вызывает остановку клеточного цикла, способствует входу в ядро прединтеграционного комплекса. Vpr включается в новые вирусы в большом количестве, способен в некоторой степени усиливать экспрессию генов ВИЧ и нарушать экспрессию отдельных клеточных генов;

vpu для ВИЧ-1 (vpx для ВИЧ-2) — кодируемый им белок разрушает комплекс gp120/CD4; снижает экспрессию CD4; способствует высвобождению вируса; усиливает продукцию вируса в клетке.

Длинные концевые повторы, или LTR (long terminal repeats), — это прямые повторяющиеся последовательности на концах ДНК-копии генома ретровирусов. Каждый такой повтор состоит из трех элементов: U3-R-U5, длина которых составляет соответственно 170–1250, 10–80 и 80–100 т.п.н.; 3’-конец U5 сам содержит короткий инвертированный повтор, гомологичный последовательности на 5’-конце элемента U3, т.е. сама последовательность LTR фланкирована короткими инвертированными повторами; LTR участвуют в интеграции ДНК-копии генома ретровируса в геном клетки-хозяина, кроме того, область U3 каждого LTR несет промотор, причем промотор левого LTR участвует в транскрипции ДНК провируса, а промотор правого — последовательности ДНК клетки-хозяина вблизи сайта интеграции ретровируса. LTR фланкируют сложные элементы генома и участвуют в процессе их транспозиции (Khodosevich K. et al., 2002).

Эндогенные ретроэлементы (ретротранспозируемые элементы) генома человека

Их делят на две большие группы: способные к автономному существованию и неавтономные (рис. 1).

Среди автономных ретроэлементов выделены два класса:

— LTR-элементы (LTR-elements) — составляют до 8,3 % генома человека. К ним относятся ретротранспозоны (retrotransposons), эндогенные ретровирусы (endogenous retroviruses, ERVs), человеческие эндогенные ретровирусы (human endogenous retroviruses, HERVs) и повторяющиеся элементы эндогенных ретровирусов человека (repeat elements with HERV origin), такие как SINE-R ретропозоны (SINE-R retroposons);

— не-LTR (non-LTR) — очень древние ретроэлементы. Широко представлены в геноме простейших организмов. В геноме человека на них приходится 33,9 % ДНК. Это короткие вставочные элементы (short interspersed elements, SINE; их еще называют короткими ретропозонами) с преобладанием Alu- и MIR-повторов и длинные терминальные вставочные повторы (long-terminal interspersed elements, LINE), представленные автономными L1- и L2-последовательностями.

Неавтономные ретроэлементы не кодируют белков. К ним относятся Alu-повторы (в геноме человека их более миллиона); псевдогены, образовавшиеся в результате обратной транскрипции; SVA-элементы (аббревиатура от заглавных букв SINE-R, VNTR и Alu, описаны как композитные ретропозоны). Для своей транспозиции они нуждаются в активности автономных ретроэлементов. Например, SVA-элементы ретротранспозируются с помощью L1-транспозонов (Ostertag E.M., Kazazian H., 2001). Ретроэлементы взаимосвязаны друг с другом и распространены у всех биологических видов (рис. 2).

Границы между эндогенными и экзогенными ретровирусами, между ретротранспозонами и ретровирусами, между LTR- и не-LTR-элементами можно провести только на момент времени, воспринимаемый человеком. По мере масштабирования времени в пределы, вмещающие геологические эпохи, границы между ними становятся менее ясными. Геном человека представляет собой единственную правдивую летопись, в которую вписаны все события, совершавшиеся в ходе его эволюции. Рассмотрим их на примере трех ретроэлементов.

Эндогенные ретровирусы. Происхождение многих эндогенных ретровирусов человека уходит в глубину эволюционной истории приматов примерно на 30–45 млн лет (Hughes J.F., Coffin J.M., 2005) и более, так как некоторые ретроэлементы геномов приматов Старого Света имеют возраст не менее 55 млн лет (Bannert N., Kurth R. 2004).

Эндогенные ретровирусы считаются молодыми, если им менее 5–6 млн лет, т.е. они интегрировались с геномом гоминоидов уже после дивергенции предковых видов приматов на гоминоидов и современных обезьян. Молодых HERV идентифицировано уже более 50. Они сохранили структуру, сходную с экзогенными ретровирусами типа ВИЧ, за исключением того, что очень немногие содержат открытые рамки считывания для генов трех основных структурных белков: Gag, Pol и Env. Все из этих наиболее полных провирусов принадлежат к их молодому семейству HERV-K, которое поддерживается исключительно в геноме приматов Старого Света (Old World monkeys, OWMs), включая человекообразных обезьян и людей (Greenwood A.D. et al., 2005) (рис. 3).

Эндогенизация экзогенных ретровирусов происходит через их проникновение в зародышевую линию. Процесс, возможно, носит случайный характер, но о нем мало что известно. По крайней мере, представители 31 семейства HERV, обнаруженные в геноме современного человека, интегрировались с геномом его эволюционных предков в результате самостоятельных эпизоотических процессов (применительно к людям — эпидемических) в течение не менее 30 млн лет (Belshaw R. et al., 2005). Такая «эндогенизация ретровируса» неизбежно должна сопровождаться массовым вымиранием их отдельных видов и даже семейств.

Наиболее молодое семейство эндогенных ретровирусов современного человека — HERV-K113 — проникло в его геном 100 тыс. лет назад также в результате эпидемии. Провирус локализован в хромосоме 19 (19p13.11) и не полностью зафиксирован в человеческих популяциях. Провирус весьма распространен среди людей, живущих в Африке, Азии и Полинезии. HERV сохраняют свою активность в геноме человека, например, HERV-К10 способен формировать ретровирусные частицы. Индукция его мРНК возможна в клетках рака молочной железы человека путем добавления прогестерона и эстрадиола. Рассмотрение механизмов активации HERV не входит в задачу данной работы.

Временные масштабы, в рамках которых ретровирусы формировали геном человека, хорошо иллюстрируются историей взаимодействия с геном эволюционных предков человека эндогенных ретровирусов семейств ERV9 и HERV-K(HML-2).

Экспансия ERV9 (линия А ретровируса) в геноме предковых видов современных приматов Старого Света началась 38–30 млн лет назад. Но наиболее активно экспансия ERV9 в геном приматов осуществлялась в период их дивергенции с гиббонами до высших видов обезьян (16–6 млн лет назад). Максимум транспозиционной активности семейством ERV9 достигнут 8–6 млн лет назад, затем это ретровирусное семейство угасло. В геноме современного человека сохранилось более сотни дефектных ERV9 и по крайней мере 4 тыс. одиночных LTR (solitary LTRs), возникших благодаря гомологичной рекомбинации между 5’- и 3’-LTR полноразмерных ERV9, рассеянных по геному приматов в эволюционном прошлом (Lopez-Sanchez P. et al., 2005) (рис. 4).

Эволюционная история семейства HERV-K(HML-2) показывает, что ретровирусы могут возвращаться в эволюционную линию. Семейство HERV-K(HML-2) впервые интегрировалось с геномом приматов, предков современного человека, около 30 млн лет назад. Отдельные провирусы, сохранившиеся с первого «пришествия» этого семейства, у современного человека напоминают о себе вирусоподобными частицами, продуцируемыми клетками злокачественной опухоли — тератокарциномы (human teratocarcinoma cells). HERV-K(HML-2) вернулся в геном приматов Старого Света 6 млн лет назад. Зародышевую линию человека семейство инфицировало 100 тыс. лет назад (HERV-K113) (Turner et al., 2001). Каким образом HERV управляют генами своего нового хозяина, показано на схеме (рис. 5).

Так как область U3 каждого LTR несет промотор, то LTR не только фланкируют сложные элементы генома и участвуют в процессе их транспозиции, но и включаются в управление генами, прилегающими к области U3 HERV (табл. 1).

Продолжение

в следующем номере