Tento příspěvek vznikl ve spolupráci s Ing. Sofií Kolibovou z Ústavu biochemie a mikrobiologie, VŠCHT v Praze, která nám, společně s Mgr. Janem Carlosem Sekerou, pomohla přeložit a nadabovat prozatím asi nejpropracovanější animaci životního cyklu HIV, díky které vám můžeme nyní i obrazem představit tento velmi složitý proces. Věříme, že porozumění tohoto procesu je základem pro možné budoucí překonání epidemie HIV, i pochopení komplikovanosti léčby osobami, které virem HIV již byly infikovány. Původní animaci v anglickém jazyce zpracovala Janet Iwasa, Ph.D. z oddělení biochemie na University of Utah, která se rovněž zabývala biologickou vizualizací na Lékařské fakultě Harvardské Univerity.

Virus HIV patří do čeledi tzv. retrovirů

Retroviry jsou unikátní viry se schopností přepisu genetické informace z jedno-vláknové RNA do dvou-vláknové DNA. Do této skupiny virů spadá notoricky známý virus lidské imunitní nedostatečnosti,  známý pod zkratkou HIV (Human Immunodeficiency Virus). Způsobuje postupné oslabení imunitní systém člověka až do té míry, že dojde k jeho významné nedostatečnosti (imunodeficiency). Tento virus zneužívá buněčného aparátu svého hostitele (člověka) pro svou vlastní replikaci (množení) a zároveň se velmi efektivně umí schovávat před imunitním systémem. Jeho životní cyklus se skládá z několika důležitých kroků, na které se snaží cílit i léky, které proti HIV máme k dispozici. Pojďme se tedy podívat co se děje když se tento virus dostane do těla člověka.

Životní cyklus HIV

HIV se přenáší tělními tekutinami, především krví ale i spermatem, preejakulátem a vaginálními sekrety. Virová částice putuje krevním řečištěm, než narazí na jeho primární hostitelskou buňku, T-lymfocyt (virus může napadat ale i jiné buňky imunitního systému jako makrofágy a monocyty). Virus se skládá z membrány, která na sobě nese obalové proteiny, pomocí kterých se váže na cílové buňky. Dále se uvnitř viru nachází kapsida a v ní je uložený genom viru. Součástí viru jsou i další proteiny a enzymy.

Schematický nákres virové částice HIVZdroj: Cross section of mature HIV (2011, David S. Goodsell)

Životní cyklus viru začíná navázáním viru přes jeho obalové proteiny na CD4+ proteiny, které se vyskytují na povrchu cílových buněk, nejčastěji T-lymfocytů (tzv. CD4+ lymfocytů), ale také makrofágů a monocytů. Následně se naváže další membránový protein (tzv. ko-receptor). Tato vazba náhle spustí reorganizaci obalového proteinu, což způsobí konformační změnu (změnu uspořádání molekul), díky které je umožněno zanoření obalových proteinů do membrány T-lymfocytu. Následné stočení zanořeného obalového proteinu umožňuje fúzi (sloučení) virové membrány s membránou T-lymfocytu což, vede k průniku kapsidy do hostitelské buňky. Na tento krok v životním cyklu viru cílí jedna ze skupin léků (viz poznámka č. 1) používaných na HIV. Jedná se o inhibitory, které brání vazbě viru na membránové proteiny T-buněk a tím blokují vstup virové kapsidy do buňky.

(Poznámka 1: Inhibitory vstupu – působí dvojím mechanismem, buď cílí na ko-receptor na membráně T-buňky a tím brání vazbě HIV s tímto receptorem, nebo se váže na N-konec virového proteinu a tím znemožní viru infikovat hostitelskou buňku.)

Vniknutí virové kapsidy do hostitelské buňkyZdroj: Janet Iwasa (Department of Biochemistry, University of Utah)

Když se virová kapsida dostane do hostitelské buňky, tak začíná její cesta k buněčnému jádru. K tomu aby se tam dostala tak využívá cytoskeletu buňky (dynamického systému vláken v buňce), pohybuje se podél mikrotubulů (vláken), po kterých “jede jako auto po dálnici”. Během toho co se kapsida blíží k jádru tak se v ní začíná pracovat enzym známý jako reverzní transkriptáza.

Pohyb virové kapsidy po mikrotubulu T-lymfocytuZdroj: Janet Iwasa (Department of Biochemistry, University of Utah)

Reverzní transkriptáza je unikátní enzym retrovirů, který dokáže přepsat svojí RNA do DNA. Aktivací toho enzymu dochází v kapsidě k přepisu virové RNA do DNA. Desítky reverzních transkriptáz pracují souběžně na vláknech RNA, aby tento proces dokončily co nejrychleji. Po ukončení přepisu obsahuje virová kapsida kompletní DNA genom, samotná kapsida se začíná rozpadat, aby mohlo dojít k uvolnění virové DNA. Toto je kritický okamžik pro virus, který musí přepsat svojí RNA do DNA, aby ji mohl zabudovat do genomu hostitelské buňky. A právě z tohoto důvodu další skupina léčiv (viz poznámka č. 2) na HIV cílí právě na reverzní transkriptasu a snaží se tak blokovat přepis virové RNA do DNA.

(Poznámka 2: Patří sem dva typy léčiv – nukleotidové inhibitory reverzní transkriptasy – jež jsou modifikovanými nukleotidy, což jsou základní stavební kameny DNA. Tyto nukleotidy neobsahují ve své molekule volnou 3’ OH skupinu což znamená, že když se do přepisované virové DNA naváže tento modifikovaný nukleotid, tak není možné za něj navázat žádný jiný a tím dojde k ukončení přepisu virové DNA. Druhým typem jsou ne-nukleotidové inhibitory reverzní transkriptasy – tedy inhibitory, které se váží přímo na enzym reverzní transkriptasu a tím znemožňují její funkci.) 

Virová částice s aktivní reverzní transkriptázou přepisující jednovláknovou RNA na dvojvláknovou DNAZdroj: Janet Iwasa (Department of Biochemistry, University of Utah)

Nyní se virus dostal k jádru buňky a virová DNA postupně začne procházet jaderným pórem do nitra samotného jádra. Na virové DNA se nachází virový enzym zvaný integráza. Ta je schopná se navázat na DNA hostitelské buňky, rozstřihnout jí a vložit sem virovou DNA. Takto zabudovaná virová DNA se nazývá provirus, ten může být aktivní ihned anebo může být v nečinné fázi po dny, měsíce i roky. Na vložení virové DNA do genomu hostitele cílí další skupina léčiv na HIV, tato skupina léčiv (viz poznámka č. 3) blokuje enzym integrázu a tím se snaží zastavit vkládání virové DNA do té hostitelské.

(Poznámka 3: Inhibitory integrázy – tyto látky obsahují vazebná místa pro hořečnaté kationty a soutěží o tyto vazebná místa s integrázou a tímto mechanismem snižují aktivitu virového enzymu.)

Místo vložení virové DNA do genetické informace hostitelské buňkyZdroj: Janet Iwasa (Department of Biochemistry, University of Utah)

Po aktivaci proviru se hostitelská buňka přeměňuje na virovou továrnu. Kdy tato mašinerie začíná přepisem virové DNA do RNA procesem transkripce (přepisu). K té je zapotřebí RNA polymeráz, které přepisují DNA do RNA. Některé virové RNA pak procházejí sestřihem, kdy z delšího prekurzoru vznikají kratší RNA vlákna. Takto vzniklé RNA transkripty můžou opustit jádro. Aby toho docílily, obsahují krátkou sekvenci, na kterou se váže protein Rev, ten poté asociuje (váže se) s buněčnými proteiny, které vedou virovou RNA ven z jádra skrz jaderný pór.

Únik nových částí virové RNA skrze jaderné póry hostitelské buňkyZdroj: Janet Iwasa (Department of Biochemistry, University of Utah)

V cytoplasmě buňky (buněčné tekutině) mají virové RNA různé role. Některé části jsou určeny, aby vytvářely proteiny. Tato činnost se uskutečňuje na ribozomech (buňěčných organelách), které čtou RNA a produkují příslušné, v tomto případě virové, proteiny. V námi česky nadabovaném videu můžete vidět produkci proteinu Gag, což je strukturní protein důležitý pro vytvoření nové virové částice. Další RNA je genomová RNA retroviru, která po cestě k buněčné membráně vychytává Gag protein. Během této cesty se k sobě váží dvě kopie virové RNA, což dává vzniku stabilnější RNA struktuře zvané dimer. Na buněčné membráně se hromadí virové obalové proteiny a tisíce kopií Gag proteinů s navázanou RNA. Gag následně začne vytvářet pod membránou hustou síť a to má za následek zahájení pučení nové virové částice. Do nově pučícího váčku se dostávají další a další proteiny až v konečné fázi to uzavírají proteiny zvané ESCRT-III. Ty vytvářejí polymer, který postupně stahuje membránu k sobě, až se nakonec úplně oddělí a uvolní se virová částice.

Únik nových částí virové RNA skrze jaderné póry hostitelské buňkyZdroj: Janet Iwasa (Department of Biochemistry, University of Utah)

Nová virová částice v tuto chvíli ještě není infekční, aby dokončila svůj cyklus, musí projít procesem maturace tzv. dozrát. Maturace je zahájena dimerizací a následným uvolněním dalšího důležitého enzymu – proteázy. Proteáza funguje jako molekulární nůžky, střihá Gag protein na specifických místech, což vede ke vzniku dalších, kratších proteinů jako je nukleokapsidový protein, který váže a stabilizuje virovou RNA. Dalším proteinem podléhajícím sestřihu je kapsidový protein, který vytváří kónickou kapsidu obalující virový komplex s RNA. Tímto se vytvoří znovu kapsida s uloženou virovou RNA. Až po procesu maturace je virus schopný absolvovat nové kolo infekce proto i sem cílí léčiva na HIV (viz poznámka č. 4), působí proti virové protease a zamezuje tak viru maturovat (dozrát) a dále se replikovat (množit).

(Poznámka 4: Inhibitory proteázy – braní sestřihu gag proteinu, vznikají pak nezralé a neinfekční virové částice.)

Únik nových částí virové RNA skrze jaderné póry hostitelské buňkyZdroj: Janet Iwasa (Department of Biochemistry, University of Utah)

Maturací se uzavírá celý životní cyklus HIV viru. Zde popsaná problematika je pouhým zjednodušením celého cyklu viru. HIV je stále předmětem mnoha studií po celém světě, kdy se snažíme zjistit a na molekulární úrovni pochopit chování tohoto viru. Snažíme se objasnit, jakým mechanismem se mu daří schovávat se před naším imunitním systémem. Detailní pochopení jeho životního cyklu nám pak může pomoci v účinnějším boji proti tomuto záludnému patogenu.

Použitá literatura:

Lodish, H., A. Berk, P. Matsudaira, K. A. Kaiser, M. Krieger, M. P. Scott, L. Zipursky a J. Darnell (2004): Molecular cell biology. 5 th W. H. Freeman and Company, New York, 973.

Shaunak, S. & Weber, J. N. (1992): The retroviruses: classification and molecular biology. Baillieres Clin Neurol. 1, 1-21.

Uniprot. https://www.uniprot.org/uniprot/P04591 (Acessed Aug 15, 2018)

Wodrich, H. & Krausslich, H. G. (2001): Nucleocytoplasmic RNA transport in retroviral replication. Results Probl Cell Differ. 34, 197-217.

citační vzor: Sofie Kolibová. "Životní cyklus HIV", Queergeography.cz [online] - 16/08/2018, [cit. 19/09/2018] , https://www.queergeography.cz/hiv/zivotni-cyklus-hiv/.

naposledy upraveno 19. 8. 2018