Продолжаю рассказывать о причинах беспомощности иммунитета и лекарств перед многоликим ВИЧ. В предыдущем посте я сделал упор на пепломеры - вирусные белки на поверхности вируса. Сегодня я подробнее расскажу о причинах изменчивости вируса и почему это плохо для иммунитета. Берегитесь, вам придется погрузиться в генетические аспекты проблемы! Пост опять получился объемным, я не смог сократить больше. Кажется, краткость не мой конёк :-) Поэтому будет и третья часть.

И снова о пепломерах?

В конце первого поста я отметил, что белковые шипы ВИЧ не только прячут нужную часть спайка, но ещё и выставляют наружу другие иммуногенные части белка, на которые иммунитет вырабатывает антитела. Давайте-ка ещё раз объясню, что значит “нужная часть спайка” и зачем вообще выделять какие-то там части.

Все оболочечные вирусы снаружи покрыты липидной оболочкой со встроенными в неё вирусными белками, похожими на копья, которыми ощетинился враг. Эти копья называются пепломерами, шипами, шипиками или спайками (англ. spike - шип). Липидная оболочка вируса для иммунитета не является признаком чужого присутствия, так как наши клетки тоже состоят из липидов. Более того, вирусы встраивают в свою оболочку часть клеточных белков в процессе отпочковывания от клетки. Это является дополнительным механизмом защиты вируса (иммунитет не станет атаковать свои собственные белки). Поэтому единственным вариантом, как иммунная система может распознать вирус - это его поверхностные белки.

Так вирус отпочковывается от клетки

Также напомню: всё, что иммунитет может распознать как врага, называется антигеном. Обычно антигеном являются белковые молекулы и сложные сахара. В чужеродной молекуле есть места, наиболее “выступающие наружу”, их называют эпитопами. Именно к эпитопам приклеиваются антитела или рецепторы лимфоцитов-киллеров. Один белок (читай - антиген) может иметь много эпитопов (об антигенах и эпитопах я рассказывал здесь). Значит, к одному белку может вырабатываться много видов антител. Антитела, которые выработались разными клонами лимфоцитов к одному антигену (но к разным его частям), называются поликлональными.

Итак, вирусный шип является антигеном - эдаким штык-ножом на вооружении вражеского ВИЧ. Вирус использует штык-нож для прикрепления к мембране и проникновения в клетку. Спайк является белком, а белок - молекула относительно большая. Она не полностью участвует в соединении с клеточным рецептором, с ним взаимодействует только небольшая часть спайка, о чем я писал в прошлом посте. Эта часть называется рецептор связывающий домен (RBD, receptor binding domain). Вот это и является “нужной частью спайка”. Если эту часть удастся заблокировать антителами, то вирус не сможет проникнуть в клетку, а, значит, останется во внеклеточном пространстве и будет уничтожен фагоцитами (про фагоцитоз). Но эволюция спрятала эту часть вируса в глубине белка gp120. Зато она не спрятала другие эпитопы, до которых антитела могут дотянуться. И ладно бы эти доступные части белка остались на месте, но и тут природа подсунула нам подлянку: эти места изменчивы. Они меняются всякий раз, когда вирус дает новое потомство. Защита, которую иммунитет выработал против первой линии вируса, будет бесполезна против его потомков.

Диаграмма белка gp120 (зеленым цветом). Красным цветом изображены части белка, которые способствуют слиянию вируса с клеткой. Эти места находятся в углублении и трудно доступны для антител. Желтым изображены антитела (источник)

Как же получается, что эти белки постоянно меняются?

Вирус-стиляга: не как все

ВИЧ относится к ретровирусам. Очевидно, приставка “ретро” используется в названии вируса не потому, что он бесподобный стиляга. Такое название он получил из-за особенностей копирования РНК. Но обо всем по порядку.

Для того, чтобы разобраться с термином “ретровирус”, нам придется вспомнить основы генетики, о которой я уже немного рассказывал. Вообще, напрашивается отдельный пост, на который бы я мог ссылаться при упоминании наследственных механизмов. Итак, супербыстрый курс :-) Если вы и так всё помните, смело пропускайте следующие три параграфа.

Строение организма и информация о том, как он должен работать, содержится в нуклеиновых кислотах. Нуклеиновые кислоты - это РНК или ДНК. Все клеточные организмы хранят наследственную информацию в ДНК, и только некоторые вирусы и вироиды используют РНК. Конечно, мы не рассматриваем древнее время гипотетического мира РНК, когда единственные организмы на Земле были представлены самокопирующимися РНК-ансамблями.

Почти любая клетка организма хранит одинаковый набор генов или, скажем, одинаковую генетическую информацию. Как получается, что все клетки одного человека имеют одинаковую ДНК? Это происходит потому, что в процессе деления клетки каждая из них (материнская и дочерняя) получает идентичную копию ДНК (почти идентичную, ошибки всё же случаются). ДНК копируется путем разрезания двойной цепочки и достраивания к каждой половинке новой цепи. Вторую часть достраивает особый фермент - ДНК-полимераза  (а точнее - ДНК-зависимая ДНК-полимераза). Механизм копирования (удвоения) ДНК называется репликацией, и обслуживают его около 20 разных ферментов. Эти же ферменты участвуют в исправлении ошибок (мутаций) ДНК.

Простейшая модель репликации (удвоения) ДНК. Достраивание второй половинки делает ДНК-полимераза.

Итак, работа всех систем организма (эндокринная, нервная, иммунная и т.д.) управляется белками (ферментами и другими белковыми соединениями). А синтез белков управляется участками ДНК - генами. Для производства белка используется следующая упрощенная схема: ДНК → РНК → белок. Читать её следует так: информация с ДНК считывается на РНК, РНК плывет к рибосомам, где по РНК-инструкции собирается белок. Давайте-ка пока отбросим из этой формулы белок и сосредоточимся на утверждении, что информация из ДНК переписывается на РНК. Предлагаю такую аналогию: ДНК - это фотонегатив, с которого печатаются фотографии - РНК. Процесс переписывания информации с ДНК на РНК называется транскрипцией (лат. transcriptio “переписывание”).

В таком направлении информация передается у всех организмов. Синтез РНК на ДНК называется транскрипцией, а синтез белка на основе РНК - трансляцией.

Но ретровирусы, к которым относится ВИЧ, ломают эту схему. В свое время это открытие наделало много шума, и несколько ученых даже получили Нобелевскую премию.

После слияния с клеткой ретровирусы впрыскивают свою РНК с ферментами в цитоплазму. Теперь вирус должен как-то размножиться. Вся информация о строении вируса содержится в его РНК, и размножение вируса означает создание множества копий РНК и синтез вирусных белков. Всё начинается со специального вирусного фермента. Он начинает строить из вирусной РНК вирусную ДНК. И здесь то и происходит разрыв шаблона: у ВИЧ копирование генетической информации происходит наоборот: от РНК - к ДНК. Таким образом, получается новая формула передачи информации: вирусная-РНК → вирусная-ДНК →человеческая-РНК → белок. И вновь для простоты отбросим белок и вернемся к аналогии с фотографией. Если в случае клеточных организмов информация с негатива (ДНК) переносится на фотографию (РНК), то в случае ретровирусов из напечатанной фотографии делается негатив, с которого потом опять будут печататься фотографии. Весь этот перенос в обратном порядке, с РНК на ДНК, осуществляет специальный фермент - ревертаза (reverse transcriptase) или обратная транскриптаза. Если вам мало сложных слов, есть другое название у этого замечательного фермента - РНК-зависимая ДНК-полимераза. Лекарства, которые блокируют обратную транскриптазу, называются ингибиторами обратной транскриптазы. Кстати, обратная транскриптаза применяется для обнаружения РНК (например, РНК вирусов) с помощью ПЦР метода (ОТ-ПЦР, полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией). Ниже я попытался нарисовать процесс обратной транскрипции.

Ревертаза очень слабо умеет исправлять ошибки, которые неизбежно возникают во время синтеза вирусной ДНК, поэтому в процессе создания вирусной ДНК происходит много мутаций. Особенно подвергается мутации участок ДНК, отвечающий за пепломеры. Изменчивость этого белка позволяет вирусу ускользать от антител: как только организм худо-бедно выработал антитела против одного вида вирусных белков, тут же появляются другие. Для выработки специфических антител требуется около двух недель, тогда как одна зараженная клетка за сутки может выпустить около пяти тысяч копий вируса. Кроме того, активированные B-лимфоциты (производители антител) тормозят активацию других B-лимфоцитов, которые могли бы выработать более эффективные антитела. Так работает наш иммунитет.

ВИЧ характеризуется очень высокой скоростью изменчивости, которая в 10 раз “быстрее” мутаций вируса гриппа (у вируса гриппа другие механизмы изменчивости). Вирус мутирует не специально, все дело в ревертазе, которая допускает много ошибок во время синтеза вирусной ДНК. Так как вируса много, и размножается он быстро, то и мутантных вариантов тоже получается много. Ни один потомок вирусной частицы не является её полной копией. Не все мутанты жизнеспособные, часть из них получается дефектной. Например, с поломанными шипами - с такими вирус не сможет заразить новые клетки. Но даже эти дефектные шипы служат для иммунитета приманкой: для них образуются антитела и тратятся ресурсы иммунной системы. Таким образом, в организме всегда присутствует много квазивидов вируса, и среди них найдется тот вариант вируса, который максимально эффективно ускользает от иммунитета конкретного человека. Ничего личного, естественный отбор.

История одного вируса и его потомков: каждая инфицированная клетка порождает мутантные копии вируса, которые заражают другие лимфоциты, производящие новые порции мутантного вируса… и так в геометрической прогрессии.

ВИЧ: паразит, который прописался навсегда

После того, как ревертаза синтезировала вирусную ДНК, последняя направляется к ядру клетки и сливается с ДНК человека. В этом участвует другой вирусный фермент - интеграза. Благодаря ей вирусная ДНК становится частью генетической информации человека. Клетка с такой ДНК при последующем делении передаст вирусную ДНК своим потомкам. Вирусная ДНК в составе ДНК хозяина называется провирусом. В дальнейшем с этого участка ДНК будут синтезироваться вирусные белки и вирусная РНК. Провирус спокойно живет внутри клетки, недоступный иммунной системе.

Некоторое время провирус сидит тихо, пассивно размножаясь вместе с делением лимфоцитов. “Сидит тихо” означает, что провирус не производит новые вирусные частицы или производит их в небольшом количестве. Вирус тихонечко заражает новые клетки, но не разрушает их. Для иммунитета такая активность не заметна. “Тихий” период ВИЧ может длиться до года. В определенный момент зараженный лимфоцит активируется, а вместе с ним активируется и дремлющий провирус. Активация лимфоцита происходит во время инфекций или других стрессовых ситуаций. Проснувшийся провирус производит тысячи копий вируса, которые отпочковываются от лимфоцита и заражают новые клетки, а сам лимфоцит погибает или утрачивает защитные функции.

Все важные части вируса, которые я упоминал в этой статье: пепломеры, обратная транскриптаза, интеграза - и некоторые другие вирусные белки подвергаются мутации. Поэтому лекарства, направленные на блокирование перечисленных ферментов, оказываются неэффективными после удачных мутаций вируса. К сожалению, нельзя сделать лекарство, которые бы “учитывало” все возможные варианты мутаций целевого участка ВИЧ. К счастью, вирус не может приобрести мутации сразу во всех важных частях, какие-то ферменты останутся доступными для действия лекарства. Поэтому в лечении ВИЧ инфицированных используют одновременно несколько препаратов - это позволяет добиться значительного снижения вируса в организме и восстановления иммунной системы. Однако вирус по-прежнему существует в ДНК клеток, и пока нет механизмов полностью избавиться от вируса.

В этом посте я постарался рассказать о том, почему вирус постоянно меняется и как это влияет на иммунитет. В следующей части напишу о том, как иммунные клетки пытаются бороться с вирусом и почему у них не получается. Крепких вам лимфоцитов, берегите себя и своих близких!