ВИЧ имеет всего 9 генов и не так уж много белков; специального механизма «контроля над ошибками» он себе при таких ресурсах позволить не может.
Как уже обсуждалось выше, скорость репликации ВИЧ очень велика, при этом в ходе размножения вируса практически неизбежно происходят ошибки, которые приводят к изменениям в его геноме. «Оплошность» может быть допущена на разных этапах репликации, и далеко не всегда изменения закрепляются в потомстве вируса - напротив, большинство из них остается незамеченными, те же генетические изменения, которые привели к формированию полноценной вирусной частицы, совсем не обязательно придают ей особые преимущества (см. далее).
В итоге всех «оплошностей» как при естественном течении инфекции, так и в ходе применения лекарственных средств вирус существует в виде квазивидового «роя» из близкородственных в генетическом отношении, но неодинаковых вирусов. Это означает, что субъектом всех эволюционных превращений, строго говоря, является не единственный генетический вариант ВИЧ, а «рой» вирусов, в составе которого происходят события, составляющие основу для эволюции - мутации и рекомбинации.
Мутациями в широком смысле этого слова называют внезапные изменения генетического материала, вызванные как внешними воздействиями (радиация, температура, химический агент), так и внутренними причинами, природа которых не всегда бывает известна.
Основой формирования мутантных форм ВИЧ являются ошибки в работе одного из ферментов вируса - обратной транскриптазы. Реакция синтеза ДНК на матрице РНК, которую он осуществляет, очень сложна и состоит из нескольких процессов, происходящих одновременно или последовательно. К ним относятся собственно реакция обратной транскрипции (синтез минус-цепи ДНК на матрице РНК), разрушение РНК в составе образующегося гибрида РНК-ДНК (РНКазаН- активность и достройка плюс-цепи ДНК на матрице одноцепочечной ДНК).
Дополнительным, хотя и существенно менее значимым источником ошибок становится стадия транскрипции, когда на матрице провирусной ДНК синтезируется мРНК ВИЧ; на этот раз ошибки совершает клеточная
РНК-полимераза. Свой вклад вносит и клеточная дезаминаза APOBEC3G, выполняющая функцию дезаминирования цитозина (С->11-конверсия) в составе минус-цепи ДНК ВИЧ на этапе обратной транскрипции. Благородная цель APOBEC3G при этом состоит в уничтожении вновь образующихся вирусных полимерных молекул, однако если измененная минус-цепь чудом остается невредимой, она становится матрицей для плюс-цепи, которая кодирует синтез основных белков вируса и при этом по понятным причинам содержит множество однотипных мутаций G->А, каждая из которых в принципе может привести к замене аминокислоты.
Особенно уязвимой к возникновению мутаций является реакция собственно обратной транскрипции - ведь она, отличие от других реакций матричного синтеза (например, ДНК^ДНК), не подкреплена специальными корректирующими механизмами (proof-reading). Это означает, что всякая случайно возникшая в ходе обратной транскрипции мутация имеет возможность вступить в эволюционное соревнование и при удачном стечении обстоятельств закрепиться в потомстве.
Среди мутаций различают замены, делеции, вставки единичных нуклеотидов, а также все перечисленные варианты с участием нескольких и даже многих нуклеотидов.
Замена (substitution) - наиболее часто встречающийся вид мутаций, в результате которых случайным образом происходит замещение одного нуклеотида другим. Кодон (три рядом стоящих нуклеотида, кодирующих аминокислоту) при этом всегда меняется, однако следствием этой замены не всегда бывает замена аминокислоты: новый кодон может кодировать ту же аминокислоту, что и до замены, и тогда мутация называется «молчащей» (такие замены называют еще синонимическими; среди всех мутаций преобладают именно они).
Другой вариант - формирование так называемого «стоп-кодона», ко-
торый никаких аминокислот не кодирует; в этом случае на участке, содержащем «стоп-кодон», в ходе синтеза белка произойдет остановка, и структура вновь синтезируемого белка окажется нарушена. Это наиболее тяжкое следствие замен, поскольку такой белок с большой вероятностью будет неполноценным и в функциональном отношении. Чаще всего потомство вирусов, испытавших столь серьезную генетическую модификацию, вообще не может выжить, а это означает, что такие вирусы в реальной популяции практически не обнаруживаются.
Наконец, в результате несинонимической замены может действительно произойти замена аминокислоты в составе кодируемого белка; характер изменения структуры и функции белка при этом также может варьировать от очень слабых перемен (если новая аминокислота похожа на «старую») до кардинальных перестроек (если ее свойства заметно отличаются, например, вместо гидрофобной аминокислоты встает гидрофильная).
Вставками (insertions ) называют мутации, которые приводят к появлению в последовательности одного или нескольких дополнительных нуклеотидов. Противоположными им по характеру являются делеции (deletion), связанные с утратой нуклеотидов. Иногда эти два вида мутаций объединяют термином indels ; их появление нередко сопровождается явлением сдвига рамки считывания (frameshift ).
Сущность его состоит в следующем: последовательность, кодирующая белок, включает в себя определенное число кодонов-«троек», каждый из которых кодирует одну из аминокислот. При появлении нового или «выпадении» одного-двух нуклеотидов разбивка последовательности на «тройки» «сдвигается», и последовательность после участка делеции или вставки полностью меняет состав и порядок кодонов. Вероятность того, что один
или несколько кодонов в этом участке окажутся «стоп-кодонами», достаточно велика - и в этом, в частности, состоит опасность сдвига рамки.
Репликация ВИЧ характеризуется чрезвычайно высокой частотой спонтанных мутаций - в среднем на каждые 10000-30000 вновь встраиваемых в ходе реакции нуклеотидов один оказывается «ошибочным». С учетом того, что размеры генома ВИЧ составляют около 10000 нуклеотидов, получается, что в каждом геноме ВИЧ есть (в среднем) по меньшей мере одна мутация. Продолжая эти интересные подсчеты, можно прийти и к другому выводу: у пациента со средней вирусной нагрузкой 30000 копий РНК/мл ежедневно в каждой позиции генома, в том числе и в позициях, ассоциированных с лекарственной устойчивостью, хотя бы у одного вириона возникает мутация.
Конечно, в пределах одного генома могут одновременно образоваться две мутации и более, однако вероятность их сочетанного закрепления в потомстве прогрессивно снижается.
Скорость возникновения мутаций неодинакова в разных позициях генома и максимальна в гомополимерных (то есть состоящих из одинаковых нуклеотидов) областях. Разные гены вируса также подвержены разной частоте возникновения мутаций: в последовательностях генов дад и ро/ мутации появляются гораздо реже (они считаются относительно консервативными), чем в составе гена env (такие гены называют вариабельными). Самая изменчивая (гипервариабельная) область генома ВИЧ - петля v3 в гене env, модификации ее аминокислотного состава потенциально способны отразиться на распознавании антителами, которое, в свою очередь, может стать фактором эволюционного отбора.
Более 34 миллионов людей во всем мире в настоящее время живут с ВИЧ-инфекцией, и каждый год фиксируется более 2,7 миллионов новых случаев. Проблема ВИЧ – огромная, она остро стоит во многих странах, в том числе и в России.
ВИЧ обладает огромной вариабельностью генома - способностью очень быстро мутировать - намного быстрее, чем, например, вирус гриппа. Именно поэтому с ВИЧ так сложно бороться: разработка вакцин и эффективной терапии упирается в то, что вирус опережает ученых.
Для решения этих задач необходимо, прежде всего, знать, с кем мы имеем дело – то есть знать обо всем разнообразии вируса, и о том, как он меняется.
Это важно понимать и для целей практической медицины: если, например, появилась новая группа, подтип или вариант ВИЧ, необходимы диагностические системы, которые могут их определять.
О том, как происходит изучение мутаций ВИЧ, его эволюции и о новых диагностических системах, которые позволяют улавливать малейшие изменения в геноме вируса, рассказал вице-президент отдела прикладных исследований и технологий компании Abbott доктор Джон Хэкет (John Hacket). Кстати, Abbott была первой компаний, создавшей в 1985 году тест на определение антител к ВИЧ, то есть тест, позволявший диагностировать вирус в крови.
Быстрее гриппа
В настоящее время известно о существовании двух типов - ВИЧ 1 и ВИЧ 2. ВИЧ 1 является наиболее распространенным типом и делится на группы – М (эта группа самая распространенная) ,N,O и P. Группа Р была обнаружена совсем недавно – в 2009 году у женщины из Камеруна, которая приехала во Францию. В группе М существует еще и множество подтипов. При этом постоянно происходит образование новых вариантов. Не исключено, что скоро возникнут новые группы и подтипы вируса.
«ВИЧ мутирует чрезвычайно быстро. Намного быстрее, чем вирус гриппа. Например, за 5-6 лет у одного человека с ВИЧ разнообразие вируса становится сопоставимым с разнообразием вируса гриппа среди всего человечества в мире», - говорит Джон Хэкет.
Такая скорость мутации происходит по нескольким причинам. Во-первых, когда ВИЧ копирует себя, появляются «ошибки» или мутации в его генетической последовательности, что увеличивает его разнообразие.
Во-вторых, ВИЧ реплицируется (размножается) необыкновенно быстро: в больном, который не получает лечение, образуется до десяти миллиардов вирусных частиц в день.
В-третьих, вирус обладает способностью к рекомбинации: например, если человек инфицирован разными суб-типами ВИЧ, они рекомбинируют между собой в организме человека, что и приводит к образованию нового варианта вируса.
«Важно не пропустить новые формы»
Когда медикам и ученым стало понятно, что разнообразие ВИЧ столь велико, появилась необходимость в создании диагностических систем, которые могли бы не только определять все типы, группы и подтипы, известные на данный момент, но и выявлять новые. Ведь иначе можно получить ложноотрицательный результат, пропустив в образце варианты вируса, которых диагностическая система просто не знает.
«Перед тем как донорская кровь используется, она проверяется на наличие инфекционных заболеваний. С помощью оборудования Abbott проводится скрининг 60% донорской крови в мире», - говорит Джон Хэкет.
Он добавляет, что компания очень серьезно подходит к выполнению своего обязательства – обеспечить безопасное переливание крови, поэтому 20 лет назад была создана «Международная программа Abbott по наблюдению и выявлению новых мутаций ВИЧ и гепатита В».
«Крайне важно, чтобы наши тесты могли достоверно определить все существующие мутации ВИЧ и гепатита», - подчеркивает Хэкет.
На данный момент в рамках программы уже собрано более 25 тысяч образцов ВИЧ и гепатита В из 16-ти стран. Особое внимание удаляется очагам в Африке – поскольку именно там наблюдается максимальное разнообразие вариантов ВИЧ. В программе участвовали также 10 медицинских центров из России.
Для обнаружения новых вариантов ВИЧ используются самые современные научные методы, такие как секвенирование генома, включая глубокое секвенирование.
Для таких работ совместно с Калифорнийским университетом в Сан-Франциско (UCSF) был создан «Центр диагностики и исследований в области вирусологии UCSF-Abbott». Помимо изучения ВИЧ, там занимаются и поиском новых вирусов.
«Недавно ученые из этого центра обнаружили совершенно новый человеческий вирус. Он получил название Human pegivirus 2 (HPgV -2) . Сейчас уже известно, что он передается через кровь и связан с вирусом гепатита С. Нам удалось определить восемь полных геномов и четыре неполных генома этого вируса. Нашим следующим шагом станет определение того, способен ли новый вирус вызывать заболевание, и если да, продолжать работу с учреждениями службы крови, чтобы обеспечить защиту донорской крови от этих типов новых вирусов», - говорит Хэкет.
Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Со временем, считают ученые, люди станут более резистентными к вирусу иммунодефицита человека
Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) со временем теряет силу и становится менее опасным и заразным, установили ученые Оксфордского университета в Англии по результатам многолетнего наблюдения за пациентами в Ботсване и ЮАР.
Исследователи обнаружили, что в результате борьбы за выживание вирус подвергается разрушительной мутации.
Как выяснилось, этому вирусу, попавшему в организм человека, теперь требуется больше времени, чтобы вызвать СПИД. Ученые считают, что изменения, происходящие в вирусе, позволят более эффективно бороться с распространением болезни.
Некоторые вирусологи даже предположили, что со временем ВИЧ станет почти безвредным, если он будет продолжать мутировать и дальше.
Иммунитет против ВИЧ
Более 35 миллионов человек в мире заражены вирусом иммунодефицита человека. В их организмах идет беспощадная борьба между вирусом и иммунной системой.
Этот вирус – мастер камуфляжа. Он быстро и без всяких усилий приспосабливается к иммунной системе человека.
Однако время от времени вирус инфицирует человека с особенно сильной иммунной системой.
Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Вирус ВИЧ (на фото - красного цвета) атаковал клетку иммунной системы"И тут вирус попадает в переплет. Чтобы выжить, ему нужно мутировать, и эта мутация бесследно для него не проходит", - говорит профессор Оксфордского университета Филип Голдер.
Цена такой мутации – ослабленная способность репликации, следствие которой – сниженная инфекционность и увеличенный срок, за который при инфицировании в организме развивается СПИД.
Этот ослабленный вирус затем попадает в организм других людей, и начинается постепенный, медленный цикл его ослабления.
Эволюция вируса
Группа ученых продемонстрировала этот процесс, происходящий в Африке, сравнивая ситуацию в Ботсване, где проблема СПИДа существует уже давно, и в ЮАР, где вирус появился на десять лет позже.
Профессор Голдер заявил Би-би-си: "Это удивительно. Видно, что способность репликации в Ботсване на 10% ниже, чем в Южной Африке, и это вдохновляет".
"Мы наблюдаем эволюцию, происходящую на наших глазах. Удивительно, как быстро идет этот процесс", - говорит ученый.
"Вирус теряет свою способность вызывать болезнь, и это поможет нам его уничтожить", - считает профессор Голдер.
Ученые предположили, что антиретровирусные препараты также заставляют ВИЧ мутировать в более мягкие формы, атакуя прежде всего его наиболее агрессивные разновидности.
"Двадцать лет назад срок развития СПИДа составлял 10 лет. Но в последние 10 лет в Ботсване он возрос до 12,5 лет. Это постепенный рост, но по большому счету это стремительная перемена. Можно представить, что со временем этот срок будет продолжать расти, и в будущем люди в течение десятилетий не будут чувствовать никаких симптомов болезни".
Ученые предупредили, что, тем не менее, даже ослабленная версия вируса все еще чрезвычайно опасна и может вызвать СПИД.
Легкая инфекция?
Эта инфекция была выявлена учеными еще в 1980-е годы, однако лекарства, способные приостановить течение болезни, появились сравнительно недавно, стоят они дорого и доступны далеко не всем.
Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Вирус иммунодефицита вынужден мутировать в борьбе с иммунной системой человекаВирус иммунодефицита перешел к человеку от обезьян, для которых это – легкая инфекция.
Вирусолог Университета Ноттингема профессор Джонатан Болл сказал в интервью Би-би-си: "Если так пойдет дальше, мы увидим глобальные изменения – более медленное развитие болезни и намного меньше распространения инфекции"
"В теории, если мы позволим вирусу ВИЧ развиваться дальше, мы увидим, что население планеты становится более резистентным к вирусу, чем сейчас – вирус в итоге станет почти безопасным, - говорит он. - Подобные события происходили в истории и раньше, но мы говорим об очень больших временных промежутках".
Профессор Эндрю Фримэн из Университета Кардиффа называет это исследование "интригующим".
"Сравнивая эпидемии в Ботсване и ЮАР, исследователи смогли показать, что со временем вирус становится более слабым, - говорит ученый. - Широкое применение антиретровирусной терапии, возможно, тоже вносит свой вклад, и сообща эти факторы могут помочь взять эпидемию под контроль".
Тем не менее, он подчеркнул, что пройдет еще очень долгое время прежде, чем ВИЧ станет безвредным, и раньше, чем это произойдет, нас ждут другие события, более доступное лечение и появление эффективных препаратов, способных побороть СПИД.
Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) может содержать десятки различных мутаций, называемые полиморфизмом. В недавнем исследовании международная группа исследователей, в том числе ученые из университета Миссури, обнаружили, что одна из этих мутаций, имеющая название 172K, придала некоторым формам вируса больше восприимчивости к лечению. Вскоре врачи смогут использовать эти знания для усовершенствования медикаментозного лечения, назначаемого ВИЧ-инфицированным.
«
Полиморфизм 172K придает определенным формам ВИЧ меньшую резистентность к лекарствам,» — сказал Стефан Сарафианос, соавтор исследования и научный сотрудник научного центра Bond Life при университете Миссури. „172K не влияет на нормальную деятельность вируса. В некоторых разновидностях ВИЧ, которые выработали устойчивость к лекарствам, в присутствии мутации 172K резистентность к двум классам препаратов для борьбы с ВИЧ подавляется. Мы проанализировали до 3%штаммов ВИЧ, содержащих полиморфизм 172K“.
ВИЧ является ретровирусом, то есть он использует фермент, называемый обратной транскриптазой, для создания копии своего генетического кода. Эти копии вставляются в собственные гены жертвы, где вирус перехватывает клеточные механизмы клетки-хозяина для того, чтобы воспроизводить себя. Два класса препаратов, нуклеозидные (НИОТ) и ненуклеозидные ингибиторы обратной транскриптазы (ННИОТ) могут остановить этот процесс в своих последовательностях.
Тем не менее, некоторые штаммы ВИЧ выработали устойчивость к НИОТ и к ННИОТ. Полиморфизм 172K подавляет эту резистентность и дает возможность обоим классам препаратов более эффективно бороться с ВИЧ. Мутация, как полагают, является первой в своем роде, которая подавляет резистентность в отношении двух групп лекарственных препаратов.
„
Врачи в клиниках используют базу данных мутаций ВИЧ и тех препаратов, к которым они восприимчивы, когда назначают лечение для ВИЧ-инфицированных пациентов“, - сказал Сарафианос. „Найденные нами мутации будут включены в эту базу данных. Как только это произойдет и как только врач выяснит, что у его пациента штамм ВИЧ, который содержит полиморфизм 172K, они будут знать, что с этой инфекцией можно бороться более эффективно с помощью препаратов группы НИОТ и ННИОТ“.
Один из коллег Сарафиано в центре клинических исследований по СПИДу в Японии обнаружил полиморфизм 172K по случайности. Данная мутация была вначале обнаружена у пациента, затем исследователям удалось воссоздать его в лаборатории.
Отчет об исследованиях под названием „Полиморфизм 172К обратной транскриптазы вируса ВИЧ-1 при мутациях подавляет эффект резистентности к клинически значимым препаратам как группы нуклеозидных, так и ненуклеозидных ингибиторов обратной транскриптазы“ был опубликован в журнале „Journal of Biological Chemistry “.
При всевозможных эпидемях всегда обнаруживались люди, которые оставались неподверженными заболеванию. В большинстве случаев это связано с генетическими особенностями таких устойчивых к заболеванию людей. Первым хорошо изученным примером стала устойчивость к малярии. В тропиках и субтропиках, где малярия широко распространена, часто встречается наследственное заболевание серповидноклеточная анемия, связанное с мутацией в гене гемоглобина (эритроциты крови приобретают при форму серпа). Люди, у которых мутация гемоглобина имеется только в одной хромосоме (гетерозиготы), оказались защищенными от малярии. Если мутация содержится в обеих хромосомах, то такие люди, не болея малярией, погибают от анемии.
В случае ВИЧ-инфекции также существует популяция людей, для которых эта инфекция не страшна. Хотя различия в ДНК между отдельными индивидуумами составляет всего 0,1%, но именно они все и определяют. Выяснилось, что у здоровых людей, несмотря на их постоянные тесные контакты с ВИЧ-положительными, образуется видоизмененный (мутантный) белок CCR5 , который вместе с CD4-рецептором принимает участие в проникновении вируса в клетки. Мутантный белок CCR5, в отличие от обычного, не способен взаимодействовать с вирусными частицами, а в результате вирус не может проникнуть в клетки.
Подобные генетические варианты встречаются лишь у американцев европейского происхождения и у выходцев из западной Азии , у американцев африканского и восточноазиатского происхождения такие "защитные" гены не нашли.
Самый высокий уровень резистентности к ВИЧ, связанный с мутацией гена белка-корецептора CCR5, существует у представителей финно-угорской группы: финнов , эстонцев , венгров , мордвин . Наличие такой мутации в одном из двух парных генов здесь достигает 15-17%. Достаточно много подобных людей среди населения Северной Европы, на юге и на востоке их число существенно меньше. Так, среди афроамериканцев они составляют всего 1-2%. А среди представителей многих других рас их вообще нет. Таким образом, существует градиент распределения ВИЧ-устойчивых людей по планете ( рис. 12).
Люди с мутацией гена CCR5 генетически надежно защищены от ВИЧ-инфекции только тогда, когда эта мутация содержится в обоих генах. Таких людей существенно меньше (не более 1%). Среди москвичей устойчивы к ВИЧ около 0,6%.
Имеются данные, что у обладателей одного мутантного гена признаки СПИДа развиваются медленнее, чем у носителей двух нормальных генов, и они поддаются лечению.
Однако сейчас появились новые разновидности чрезвычайно агрессивных ВИЧ. Людей, зараженных такими вирусами, не спасает даже присутствие мутантных генов.
В многочисленных популяциях американцев афро-азиатского происхождения мутантные гены CCR5 не были найдены, однако, и там существуют небольшие группы людей, остающихся здоровымы, несмотря на многочисленные контакты с зараженными, что свидетельствует о существовании каких-то иных генов защиты иммунной системы от ВИЧ.
