Μοριακή δομή του HIV - Ανοσολογία

Transcription

Μοριακή δοµή του HIV Ανοσολογία
Κατερίνα Ψαρρά
Τµήµα Ανοσολογίας – Ιστοσυµβατότητας
Γ.Ν.Α. «Ο Ευαγγελισµός»
Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίου της ιικής εκβλάστησης –
Charlie Dauguet, Οµάδα Ινστιτούτου Pasteur, Παρασκευή 4/2/1983
5:45µµ
Ο ιός εκβλαστάνει από το κύτταρο HIV human immunodeficiency virus ιός της ανοσοανεπάρκειας του ανθρώπου ρετροϊός RNA ιός The HIV genome is composed of 9 genes, which encode 15 proteins. hMp://tcf.epfl.ch/page-‐20833-‐en.html hMp://biology.kenyon.edu/slonc/
gene-‐web/Lenhviral/
Lenhvi2.html For comparison, the E. Coli bacterium contains around 4,377 genes and the human genome encodes around 21,000 genes. HIV Genome
HIV RNA
R
U5
U3
R
Reverse transcription
HIV DNA
Host DNA
U3
R
LTR
U5
Integration
U3
R
LTR
U5
Host DNA
HIV-1 RNA
R
U5
U3
RRE Nature Reviews Microbiology 2, 461-472 (June 2004)
R
HIV-1 Integrated DNA
Host DNA
U3
R
U5
LTR
U3
R
U5
Host DNA
LTR
CD4 & MHC downregula2on Modified from : The AmFAR AIDS Handbook, D Ward, pp. 348
RNA Splicing
Translational
Frameshift
Source: The Molecular Biology of HIV/AIDS, D Ward, pp. 19
These are the major spliced RNA species, but HIV can actually produce at least 109 different spliced
RNAs (Nucleic Acids Res. 2012 Nov 1;40[20])
Initiation of HIV transcription is performed by cellular factors
Source: Atlas of Infectious Diseases, Mandell & Mildvan (ed.), pp. 3.13
Dr. Isabelle BOUALLAGA Institut Pasteur. http://www.123bio.net/
Source: Atlas of
Infectious Diseases,
Mandell & Mildvan
(ed.), pp. 3.13
HIV Proteins
Structural Proteins
Gag: Matrix, Capsid, NC, p6
Pol: Protease, Reverse Transcriptase, Integrase
Env: gp120, gp41
Regulatory Proteins
Tat
Rev
Nef
Accessory proteins
Vif
Vpr
Vpu
Structural protein expression and function
CD4 & MHC downregula2on Gag and Gag-Pol
Gag and Gag-Pol
Source: BioAfrica Bioinformatics for HIV Research. http://bioafrica.mrc.ac.za/
Gene/Protein
gag
(Pr) 55gag
Mass, KDa
Function
p55
Gag precursor protein
MA - Matrix
p17
Aids nuclear import and viral assembly
CA - Capsid
p24
HIV central core – contains HIV genome and enzymes
p6
p6
Precise location in virion unknown, not generally present in
other retroviruses, may aid in incorporation of Vpr into virion
NC - Nucleocapsid
p7/p9
Assoc. with HIV RNA, involved in packaging of HIV
RNA into virions
myristate
Association with
membrane
Matrix p17
Envelope
Incorporation
Viral Entry
RNA binding
RNA packing
Formation of Gag
multimers
Capsid p24
p2
NC p9
p1
p6
Viral Budding
Source: BioAfrica Bioinformatics for HIV Research. http://bioafrica.mrc.ac.za/
Gene/Protein
Mass, KDa
Function
pol
(Pr) 160gag-pol
p160
Gag-Pol precursor protein
PR - protease
p10
Cleaves Gag and Gag-Pol
IN - integrase
p32
Integrates viral genome into host DNA
RT – reverse
transcriptase
p66/p51
p66 – copies RNA genome. RNAse H
p51 – regulatory?
Gag
p6
PR p10
RT
p51
p66
IN p32
Envelope
Gene/Protein
env
(Pr) 160 env
Mass, KDa
Function
gp160
Env precursor protein
SU – Envelope
gp120
Surface glycoprotein that binds CD4
TM - Transmembrane
gp41
Transmembrane protein that anchors gp120 to virus,
responsible for fusion between virus and host cell membrane.
Gene/Protein
gag
(Pr) 55gag
Mass, KDa
Function
p55
Gag precursor protein
MA - Matrix
p17
Aids nuclear import and viral assembly
CA - Capsid
p24
HIV central core – contains HIV genome and enzymes
p6
p6
Precise location in virion unknown, not generally present in
other retroviruses, may aid in incorporation of Vpr into virion
NC - Nucleocapsid
p7/p9
Assoc. with HIV RNA, involved in packaging of HIV
RNA into virions
pol
(Pr) 160gag-pol
p160
Gag-Pol precursor protein
PR - protease
p10
Cleaves Gag and Gag-Pol precursor proteins
IN - integrase
p31
Integrates viral genome into host DNA
RT – reverse
transcriptase
p66/p51
p66 – copies RNA genome. RNAse H
env
(Pr) 160 env
p51 – functions in RT heterodimer
gp160
Env precursor protein
SU – Envelope
gp120
Surface glycoprotein that binds CD4 and coreceptors
TM - Transmembrane
gp41
Transmembrane protein that anchors gp120 to virus,
responsible for fusion between virus and host cell membrane
Regulatory proteins
Regulatory Proteins:
TAT: Trans-Activator of Transcription
REV: Regulator of Virion protein expression
NEF: Negative Regulatory Factor
Accessory Proteins:
VIF: Virion Infectivity Factor
VPU: Viral Protein U
VPR: Viral Protein R
TAR
Poor transcription
TAR
Recruitment of
CDK9
Positivefeedback
loop
Poor transcription
Tat
Tat
Tat
Tat
Tat
CDK9
Enhanced transcription
REV: Regulator of Virion protein expression
RRE = rev-response element
NEF: Negative Regulatory Factor
* Downmodulation the expression of several surface molecules
important in host immune function:
MHC I, MHC II, CD4
* T-cell activation (activates the production of MIP-1alpha and
MIP-1beta in macrophages)
VIF: Virion Infectivity Factor
www.hivmedicine.com/textbook/pathogen.htm
•  Involved in viral budding, enhancing virion release from the cell
•  Counteracts Tetherin (Bst2/CD317/HM1.24)
Tetherin
http://www.plospathogens.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.ppat.1003299
•  Downregulation of CD4
* Involved in viral budding, enhancing virion release from the cell
* Downregulation of CD4
VPR: Viral Protein R
* Regulation of nuclear import of the HIV-1 pre-integration
complex
* Required for virus replication in non-dividing cells such as
macrophages.
* Induces cell cycle arrest and apoptosis in proliferating cells
Gene/Protein
tat
Tat
rev
Rev
Mass, KDa
Function
p14
Transactivates HIV transcription (kinase adaptor to RNAP2).
p19
Nuclear export of unspliced & single-spliced RNA (via RRE).
p27
Internalizes cell-surface CD4 & MHC Class I molecules.
nef
Nef
May enhance cellular activation.
vif
Vif
p23
Overcomes a post-entry block to infection.
May influence virion assembly.
vpu
Vpu
p16
Facilitates virion release via ion channel formation.
Targets CD4 for destruction in ER (freeing bound env).
vpr
Vpr
p15
Targets the HIV pre-integration complex to the nucleus.
Arrests activated cells in G 2 phase of cell cycle.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/00/
HIV_Mature_and_Immature.PNG
http://www.readcube.com/articles/10.1038/nrmicro2596
Take-home points:
•  Structure:
–  Env is only exposed viral protein in virion (neutralization resistant)
–  Binding/fusion with host cell is mediated by gp120 & gp41 (CD4 &
CCR5 or CXCR4)
–  RNA genome -- requires HIV reverse transcription to DNA
–  integration requires HIV integrase
–  LTR/promoter requires cellular transcription factors
–  HIV protease activity is needed for generation of infectious virions
–  accessory genes modulate:
1) cellular function (e.g., nef, vpr)
2) viral gene expression (e.g., tat, rev)
–  Capsid (p24) represents the primary structural component of virion
–  small molecule inhibitors of these structure’s functional activity
represent the primary current antiviral therapeutic strategies
Γονίδια του HIV HIV “family tree” hMp://www.avert.org/hiv-‐types.htm Genetic subtypes of HIV-1
Groups
M
Clades or
A-H, J (9)
Subtypes
Subclades F1 &F2
Strains or
isolates JR-CSF
O
N
Limited Spread
P
1 infected person
Reported ‘09
2nd infected person
Reported ‘10
8 full, and 5 partial,
Genome sequences
Σύντοµη ιστορία των θεωριών
για τη δυναµική των Τ λεµφοκυττάρων
στην HIV λοίµωξη
•  Η έκβαση της πρώτης-πρώτης
αλληλεπίδρασης µεταξύ HIV και ξενιστή
βάζει µπρος το ρολόι για την πορεία της
λοίµωξης που ακολουθεί.
Στα άτοµα µε µακρά επιβίωση
επιτυγχάνεται κατάσταση ισορροπίας
«ιού-ανοσίας» µεταξύ
•  Ιού σε πολλαπλασιασµό
•  CCR5+CD4+ κυττάρων
•  Κυτταροτοξικών Τ κυττάρων,
αντισωµάτων και άλλων ανοσιακών
µηχανισµών
Τροποποίηση της πορείας κατά τα
αρχικά στάδια της λοίµωξης δίνει νέες
ελπίδες στη µάχη κατά του HIV
Γεγονότα µετά τη λοίµωξη HIV
που καταλήγουν στην εξέλιξη προς AIDS
CA Jansen 2006
• 
• 
• 
• 
Οι παράμετροι του ιού στον ξενιστή που χαρακτηρίζουν την έκβαση της πρωτολοίμωξης μέγιστο ιικό φορτίο (peak viral load) set point της ιαιμίας ￫ τελικό σημείο μελετών ανοσιακής απάντησης έναντι του HIV Πολύ νωρίς στη λοίμωξη Ανεξάρτητο περιβάλλοντος Ο ιός Χαρακτηριστικά του HIV υπό
µετάδοση
•  Μείωση της ποικιλότητας του HIV Γενετικός περιορισμός (bo7leneck) •  Βιολογικά χαρακτηριστικά : 1.  Υπότυπος HIV 2.  τρόπος μετάδοσης : Σεξουαλική μετάδοση ακεραιότητα βλεννογόνου Από μητέρα σε παιδί αντισώματα μητέρας HIV-1 Tropism
X4-tropic
R5-tropic
Maraviroc
Blocks interacion of
gp120 with CCR5
www.hivmedicine.com/textbook/pathogen.htm
AIDS RESEARCH AND HUMAN RETROVIRUSES. Volume 21, Number 2, 2005, pp. 171–189
Περιορισμός ποικιλότητας του HIV στη θύρα εισόδου Ακεραιότητα βλεννογόνου Βλέννη Ελαττωματικά ιικά σωματίδια Langerin πάνω στα κύτταρα Langerhans – επιταχύνει την καταστροφή των ιικών σωματιδίων (ίσως να μην υπάρξει μετάδοση σε CD4 κύτταρα) •  Υπάρχουν διαφορές σε σχέση με τον υπότυπο του HIV και τη γλυκοζυλίωση •  Επομένως κατά τις πρώτες ημέρες μετά τη λοίμωξη έχουμε ομογενή ιό • 
• 
• 
• 
Ελαττωµατικός ιός;
• 
• 
• 
• 
Πειράµατα µε εξασθενηµένο ιό
Δεν αρκεί για κατάσταση elite
Συνήθως long term non progressor
(πολύ λίγοι elite controllers)
Ελαττωµατικός ιός;
•  Αποµόνωση από elite controllers
•  Gag, pol, env υποστηρίζουν πολύ λιγότερο
τον ιικό πολ/σµό σε ουδέτερο σκελετό ιού
•  Συνδυασµός οξείας λοίµωξης µε
εξασθενηµένο στέλεχος ιού και
•  Συσσώρευση µεταλλάξεων διαφυγής
Μοντέλλο για τη
σπάνια µετάδοση
ελαττωµατικών ιών
σε άτοµα µε ποικίλο
γενετικό υπόβαθρο
Ο ξενιστής Επίδραση των HLA αλληλίων σε διαφορετικά στάδια της HIV λοίμωξης HLA-‐B*35 κακή πρόγνωση Elite controller ή
elite suppressor
• 
• 
• 
• 
δηµογραφικά ετερογενής οµάδα
ποικίλης εθνογραφικής προέλευσης
ποικίλοι τρόποι µετάδοσης του HIV
υψηλό ποσοστό προστατευτικών
αλληλίων HLA (HLA-B27, HLA-B57)
Ανάλυση των SNPs σε γονίδια με γνωστή ή υποψία για επίδραση στην HIV λοίμωξη >300 αµινοξέα µέσα στο MHC και
πουθενά αλλού
HLA-B HLA-C
Science 2010
Ποικιλότητα παραγόντων της φυσικής ανοσίας •  DC-‐SIGN και DC-‐SIGNR και Toll-‐like receptors πολυμορφισμοί •  Εγγενής ανοσία (ενδοκυττάρια συστατικά) π.χ TRIM5a και APOBEC3G •  Χημειοκίνες, κυτταροκίνες και υποδοχείς •  KIRs Συμπεράσματα από αναλύσεις συσχέτισης που αφορούν το ολικό ανθρώπινο γονιδίωμα •  HLA-‐B*5701 και κοντά στο HLA-‐C (15% της ποικιλότητας) σε συσχέτιση με το set point της ιαιμίας •  7 SNPs στο ή κοντά στο γονίδιο της RNF39 και του ZNRD1 (RNA πολυμεράση) σε συσχέτιση με την απάλειψη των CD4+ κυττάρων Μετάδοση του HIV μέσω βλεννογόνου •  Σεξουαλική μετάδοση από άνδρα 65% •  Μητέρα σε παιδί •  Ανώτερο γαστρεντερικό (κατάποση αμνιακού υγρού) in utero •  Μολυσμένο αίμα και εκκρίσεις κατά τον τοκετό •  Μολυσμένο γάλα κατά το θηλασμό Ανίχνευση των μολυσμένων κυττάρων στο λεμφικό ιστό του εντέρου στην HIV λοίμωξη Potential Mechanisms for HIV-1
Transmission Across Mucosal
Epithelium
B.L. Shacklett & P.A .Anton. Curr Infect Dis Rep (2010) 12: 19–27
Είδη κυττάρων που μολύνονται στο βλεννογόνο •  Δενδριτικά (DC-‐SIGN και CX3CR1) •  CD4+ T λεμφοκύτταρα (CCR5 και CCR5/
CXCR4) (μέσα σε 4-‐6 εβδομάδες) •  Επιθηλιακά κύτταρα (CCR5) •  Μακροφάγα (CCR5￬ και CXCR4 ￬) •  Ταχεία καταστροφή ακεραιότητας βλεννογόνου Φυσική ανοσία έναντι του HIV •  Δενδριτικά κύτταρα και HIV στην AHI •  NK κύτταρα και HIV στην ΑΗΙ Δενδριτικά κύτταρα και HIV •  Χαμηλό ποσοστό HIV+ δενδριτικών κυττάρων ίσως λόγω APOBECs •  Μέσω DC-‐SIGN μολύνουν τα CD4+ κύτταρα και προκαλούν διασπορά του ιού– μέσω Langerin ο HIV καταστρέφεται στα κοκκία Birbeck •  pDCs￬ αλλά όχι mDCs στο ΠΑ Δενδριτικά κύτταρα μόλις συναντήσουν τον HIV NK κύτταρα και HIV στην ΑΗΙ •  Αύξηση NK στο ΠΑ γύρω στο peak της ιαιμίας πριν την ορομετατροπή και την ανάπτυξη ειδικών για τον HIV CD8+ λεμφοκυττάρων •  CD3-‐CD56dim NK (κυτταροτοξική δράση) ￪ ποσοστό στο ΠΑ και NK δραστικότητα •  KIR3DS1/Bw4-80Ile συνδυασµός
HIV λοίμωξη Αλληλεπιδράσεις μεταξύ συνδετών α) σε μη μολυσμένο κύτταρο β) σε HIV-‐ μολυσμένο κύτταρο και υποδοχέων ενεργοποίησης/
αναστολής των ΝΚ κυττάρων Χυμική ανοσία στην ΑΗΙ •  Εξουδετερωτικά αντισώματα έναντι env, gag !!! (έτσι δημιουργούνται τα στελέχη διαφυγής) -‐ plateau μετά 1 χρόνο •  ADCC, φαγοκυττάρωση ; •  Δυσλειτουργία Β κυττάρων B Cells during HIV Infection
Nature Reviews Immunology 9, 235-‐245 (April 2009) Δυναμική του μεγέθους και της ποικιλότητας του πληθυσμού του ιού και των τίτλων και ποικιλότητας εξουδετερωτικών αντισωμάτων (IgG) στη διάρκεια τυπικής λοίμωξης HIV Διαφυγή από τα εξουδετερωτικά αλλά και μη εξουδετερωτικά αντισώματα •  Σε μεγάλο βαθμό στην ΑΗΙ •  Αντικατάσταση, προσθήκη και απαλοιφή αμινοξέων στην αγκύλη V3 του env αλλά και εκτός V3 •  Είδος ιού •  «Ασπίδα γλυκοζυλίωσης» •  Περαιτέρω μελέτες στην ΑΗΙ Factors contribu2ng to the ineffec2ve an2body response against HIV Impediment
Consequence
High degree of HIV diversity
Challenge for vaccine-induced immunity
Poor immunological access to conserved HIV
Few broadly reactive neutralizing antibodies
Env regions
Delay in neutralizing antibody response
Virus dissemination
Rapid viral mutation rate and selection
pressure
Virus escape
Paucity of virus-specific IgAs at mucosal sites Virus dissemination
Polyclonal activation
Few specific antibodies of low specificity; few
memory B cells
Natural antibodies cross-react with self
antigens
Tolerance
Functional exhaustion of B cells
Few specific antibodies of low specificity
Paucity of IgM+ memory B cells
Interference by Nef
Env, envelope protein.
Decreased natural immunity
Suppressed class switching
Nature Reviews Immunology 9, 235-‐245 (April 2009) Μεταλλάξεις του HIV από το 1980 (τετράγωνα) – 1990 (κύκλοι) – 2000 – 2006 (τρίγωνα) Ειδική ανοσιακή απάντηση στην ΑΗΙ •  CD4+ T λεμφοκύτταρα •  CD8+ T λεμφοκύτταρα Η διφασική ελάττωση των CD4+ λεµφοκυττάρων κατά
την εξέλιξη της HIV λοίµωξης
Οξεία HIV λοίµωξη : It takes
more than guts...
Η απώλεια των CD4 κυττάρων
αφορά όλους τους ιστούς
απώλεια ειδικών για τον HIV CD4+ κυττάρων ￫ δυσλειτουργία CD8+ CTL Zvi Grossman et al. Nature Medicine 12, 289 - 295 (2006)
Differential expression of HIV-1 co-receptors CCR5 and CXCR4 on CD4+ T-cell subsets
Paul R. Gorry & Petronela Ancuta. Curr HIV/AIDS Rep (2011) 8:45–53
Η πρώιµη απώλεια των µνηµονικών CD4+ κυττάρων στους
βλεννογόνους µπορεί να είναι το κλειδί που καθορίζει την
εξέλιξη της HIV λοίµωξης
Z Hel et al 2006
Mario Stevenson. Nature Medicine July 2003, Volume 9 No 7
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ELITE
CONTROLLERS
CD4+ T λεµφοκύτταρα
• 
• 
• 
• 
• 
Πολυλειτουργικά
Μακρόβια
Μνηµονικά
Ειδικά για τον HIV
Με καλύτερη ικανότητα απάντησης σε
µικρή ποσότητα Ag
Αυξηµένη παραγωγή IL-21 από τα ειδικά για
τον HIV CD4+ T λεµφοκύτταρα
Περφορίνη
Κοκκιοένζυµα
Αποκοκκίωση (CD107)
Ικανότητα καταστολής του ιικού
πολλαπλασιασµού
Από τα ειδικά για τον HIV CD8+ T
λεµφοκύτταρα
• 
• 
• 
• 
Εντόπιση των ειδικών για τον HIV CD4+ και
CD8+ T λεµφοκυττάρων
•  Στη σωστή θέση
•  Τη σωστή χρονική στιγµή
•  Στο γαστρεντερικό σύστηµα
•  Στη χρόνια ή/και
•  Στην οξεία λοίµωξη
Γαστρεντερικός βλεννογόνος
CD4+ κύτταρα έχουν απαλειφθεί στους NC αλλά όχι στους C.
CD4+ κύτταρα στους C (αλλά όχι τους NC) περιλαµβάνουν σηµαντικούς
πληθυσµούς ειδικών για τον HIV, πολυλειτουργικών κυττάρων που
δρουν σε συνεργασία µε τα CD8+
CD8+ άφθονα αλλά και ειδικά πολυλειτουργικά
HIV στους NC αλλά και τους C
Αρτιότητα βλεννογόνου στους C σε σχέση µε NC
Εναπόθεση κολλαγόνου στους NC
Tregs υψηλότερα στους NC πάρά στους C
• Ποιότητα και όχι ποσότητα CD8+ T κυττάρων έναντι gag p24 συντηρημένων επιτόπων • σε συνάρτηση με HLA-‐B57 -‐ TW10 Gag ή Gag (KF11), HLA-‐B27 -‐ Gag (KK10). Σχηματική παράσταση της ιεραρχικής εξάντλησης των λειτουργιών των CD8 T κυττάρων από την οξεία στη χρόνια λοίμωξη Αποτελεσµατικότητα της απάντησης των
CD8+ T λεµφοκυττάρων
•  πολυλειτουργικότητα
•  απληστία του TCR
και όχι
•  µέγεθος απάντησης
•  εύρος
•  φαινότυπος
πολυλειτουργικότητα
•  ικανότητα παραγωγής ποικίλων αντιικών
παραγόντων
Ø χηµειοκινών
Ø κυτταροκινών
Ø προιόντων αποκοκκίωσης
•  δυναµικό πολλαπλασιασµού
•  κατασταλτική ικανότητα
HIV controllers παρουσιάζουν ωστόσο υψηλή
ενεργοποίηση και ανοσογήρανση των CD8+ T
λεµφοκυττάρων
6th IAS Conference on HIV
Pathogenesis
Treatment and Prevention
July 17-20, 2011, Rome
From Transmission to Chronic Infection (II)
Ευχαριστώ πολύ

Μοριακή δομή του HIV - Ανοσολογία

Transcription

Similar documents