Репликация и мутации генома ВИЧ

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.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >