Эволюция вируса иммунодефицита человека и механизмы

ЭВОЛЮЦИЯ
ВИРУСА ИММУНОДЕФИЦИТА ЧЕЛОВЕКА
И МЕХАНИЗМЫ
ГЕНЕРАЦИИ ИЗМЕНЧИВОСТИ.
Э.В.Карамов
ГУ НИИ вирусологии им. Д.И.Ивановского, РАМН
ГП Институт иммунологии МЗ РФ
GenBank – более 200.000 вирусных последовательностей;
полноразмерные геномы 1000 вирусов
ВИЧ-1 как объект исследования
Эпидемиологическая значимость:
1. В мире – >45 млн инфицированных, >25 млн умерших от СПИД.
2. В России – >290.000 инфицированных.
Эволюционные характеристики:
1. Большая частота мутаций – 10-4 в расчете на сайт на цикл репликации.
2. Цикл репликации – 2 дня.
1+2 = быстрая эволюция, значительное генетическое разнообразие
97
99
81
100
Генетическое
многообразие ВИЧ-1
один
пациент
(ВВН)
99
ВВН,
Нид.
100
86
генетические дистанции между
изолятами – до 30% и более
субтип
В
100
B K03455
94
B U63632
B U21135
B M17451
D K03454
D M27323
D U88822
*
95
D U88824
81
*
82
*
89
05 AF193253
99
05 AF076998
F2 AJ249236
99
99
F2 AJ249237
78
F1 AJ249238
F1 AF005494
F1 AF077336
94
F1 AF075703
01 U54771
01 AB032741
99
01 U51189
86
01 U51188
98
A M62320
A AF004885
A AF069670
76
75
A U51190
02 AF063223
99
93
02 AF063224
100
02 L39106
02 AF184155
06 AF064699
100
75
06 AJ245481
G AF061640
G AF084936
100
G U88826
98
G AF061642
C AF110980
C U52953
80
100
C U46016
C AF110967
98
C AF067155
99
K AJ249235
100
K AJ249239
04 AF049337
86
04 AF119820
100
100
04 AF119819
H AF190127
H AF190128
100
78
H AF005496
J AF082394
80
100
J AF082395
N AJ006022
CPZ X52154
CPZ AF115393
100
CPZ AF103818
CPZ U42720
O L20587
100
0.05
O L20571
группа
М
Строение вириона ВИЧ-1
сердцевина, включающая
вирусный геном, обратную
транскриптазу и
нуклеокапсидные белки
липидная оболочка
матриксный белок р17
поверхностный гликопротеин gp120
капсидный белок р24
трансмембранный
гликопротеин gp41
Геном ВИЧ-1
D N A
T
F
N
A 280
S
K
I
290
I
V
I
E
V
Q L
N Q S
R
I
V
V
N G
T
N
V2
D
F
F
A
N
I
P
180
A
I
Y
D 190
E
Q
R
I
S T
I
N
V
C
K
K
M
M
T
D
L
G
G
E
E
V1
140
S
N T N S
H
N
L
28
C S
I
I
N
V
A
M 100
D
N
N
M
K
W
N
I
T
G
V
V
S
T
A K
60
K
A
L W
E
54
D
K
V
I
430
N
W
Q
E
G
440 M
Y
A
S
I
A
K
G
V
P P
L
460
T
R D
G G
N
D
480
R M
D
N
N
G
S
G
E
G
G
K
P R
F
470
I
V5
I
E
P
L
10
M T
G
F
M
I
Q
V
G V P
Q
G
N
N
K
W
V
L
P
C 423
R
I
K
W
G
T
V A
P
500
20
S
R
L
L
T
E S
Y
K
Y Y
T V
40
V
L
T
I
T
N
390 C
Y
F
F
S S C
450 R
L
Y
S
G
D
L
Q
L
490
N
F
C3
I
I
F
383
T H S F N C G
V
L
M
L
I
G
2. Функциональная значимость –
эволюционные ограничения.
V
E
L T T T A
N
E
I
T
Q
80
P
T D P N
T
E
T V
N F N E
N
90
74
A C V P
K
S
T
E
S
D
P
L
S
110
I
K
G
E
A T
V W
H
T E
N
370
S S Q K
Q
A C F
A
D
N
Y
G
W
E
H
M
E
C1
S
Q
L
E
G
410
N
F
G
N
D
V
D
F
S
360
126
131
T
G 150
S
S
S
V
P K
Q
E
V C P
K
119
L
C
K
I
210
A C
S
N
E
Q
C
F
S
162
T
T
201 N
T L K
C
L
P
T S
L
T
S
170
I
V
S
S
Y
G
E R
V4
W S T
S
N
F
W
400
T
I 350
A
S
P
T
K
Q
P
I
T
V
M
I
N
D
T
I
K G
I
T
T L
K
320
V
M
N
G
330
A
V3
R
A
F
R
V
R P
I
A P A
F G
C
Y H
223
Q
P
Q
V 260
Q 252
C T H G
I
G
K
W
N
T
S
V S T
V
I
K
Участок V3:
1. Нейтрализационная детерминанта –
быстрая эволюция.
Q
N
C
233 K
L
I
R
G
A
244
C
T
P
K
L
K
Y
I
R
S
340 R
270
L L
G N
E E A L S
L
E
T
G
F
310
N T R K S
C H
336 A
N
I
C2
N
N
N 301
P
C T
R
T
W
W K W
G W R
L
H
Q Y
K
E K
V
R
M
NH2
K R R
K A
V
C5
510
V Q R E
K R
516
COOH
C4
Эволюция ВИЧ-1 внутри хозяина:
роль изменчивости в патогенезе
Изменчивость ВИЧ-1 и патогенез СПИД
1. Популяция ВИЧ-1 гомогенна в первые недели-месяцы после заражения.
2. В ходе индивидуальной инфекции, гетерогенность популяции ВИЧ-1
возрастает. Ускользание от иммунного ответа, смена корецепторов –
факторы прогрессии СПИД.
=> Генетическая изменчивость
патогенный фактор per se
ВИЧ-1
–
Модель порога антигенного разнообразия
контролируется иммунной системой
до СПИД
порог
контролируется иммунной системой
порог
не контролируется
СПИД
Синонимичные замены (молчащие, незначимые) – не изменяют
аминокислотный остаток, не подвержены факторам естественного
отбора, действующим на уровне свойств белкa; эволюционно
нейтральны или близки к нейтральным.
ATA  ATT
II
Несинонимичные замены (значимые) – изменяют аминокислотный
остаток
и,
соответственно,
свойства
белка;
подвержены
стабилизирующему и/или расщепляющему отбору.
ATA  ATG
IM
Эволюция ВИЧ-1 внутри хозяина в зависимости от прогрессии СПИД
44 пациента, 5 лет наблюдений
син.
замены
непрогрессоры
прогрессоры
непрогрессоры
прогрессоры
дни
несин.
замены
дни
Вариабельность = вариация
Изменчивость – вариабельность, способность мутировать
– не зависит от прогрессии СПИД, что следует из равного
числа накопленных за 5 лет синонимичных замен.
Различно изменение – вариация, гетерогенность, –
являющееся результатом изменчивости и последующего
отбора; вероятность мутации быть закрепленной в
популяции.
Модель продолжающейся вирусной адаптации
Модель продолжающейся вирусной адаптации
Генетическое разнообразие следует рассматривать как следствие
иммунной компетентности, а не как фактор, прямо ведущий к
развитию СПИД.
Развитие СПИД – долговременный процесс разрушения иммунной
системы в результате размножения
вируса на фоне
продолжающейся вирусной адаптации к меняющимся условиям
среды.
Эволюция ВИЧ-1 в популяции
Молекулярная эпидемиология ВИЧ-1
Основным положением молекулярной эпидемиологии ВИЧ-1
является многократно показанная связь эпидемиологических
отношений между инфицированными лицами и филогенетических
отношений между инфицирующими их вариантами вируса.
Чем ближе эволюционные отношения между изолятами вируса,
тем ближе эпидемиологическая связь между лицами, от которых
они получены.
Изначально – для доказательства эпидемиологической связи между
реципиентами и донорами вируса, в судебных случаях.
Молекулярная эпидемиология ВИЧ-1
Глобальная эпидемия СПИД – комбинация местных
определяемых социальными эпидемиологическими сетями.
вспышек,
Социальные эпидемиологические сети определяются поведенческими
(группы риска), этническими, религиозными, географическими и др.
факторами.
Таким
образом,
динамика
мировой
эпидемии
определяется
характеристиками этих сетей – их структурой, динамикой,
стабильностью, перекрыванием с другими сетями.
Различные сети характеризуются различными циркулирующими
вариантами ВИЧ-1, что открывает возможность использования
генетических маркеров в качестве эпидемиологических маркеров для
изучения традиционных – и новых – эпидемиологических проблем.
Распределение генетических субтипов ВИЧ-1 в мире
Figure 2
A/B
A
B
B
B,C,B/C
C
C
+++
B,F
B,E
A,D
C
B
Эпидемия ВИЧ-1 в России и СНГ
В соответствии с динамикой эпидемии, выделяют два периода:
1. Середина 1980-ых – 1994/1995 гг. Начальный – доэпидемический –
период.
Общее число инфицированных – незначительно выше 1.000 человек,
единичные ограниченные вспышки (Элистинский случай).
2. С 1994/1995 гг. – собственно эпидемический период. Лавинообразная
эпидемия.
Начало – регистрация очага ВИЧ-1 среди ВВН на Юге Украины.
Дальнейшие очаги в Беларуси, России, др. странах СНГ. Общее число
инфицированных в России – более 260.000.
Молекулярная эпидемиология ВИЧ-1 в бывшем СССР:
доэпидемический период
дата получения
образца крови
заражение при гомосексуальных контактах
код пациента
3
4
11
17
18
21
22
город, страна
Москва, Россия
Москва, Россия
Вильнюс, Литва
Вильнюс, Литва
Вильнюс, Литва
Вильнюс, Литва
Вильнюс, Литва
генетический
субтип области V3
ноябрь 1986
сентябрь 1990
декабрь 1991
май 1990
январь 1992
февраль 1992
декабрь 1992
B
B
B
B
B
B
B
заражение при гетеросексуальных контактах
1
2
5
8
9
20
Москва, Россия
Москва, Россия
Москва, Россия
Минск, Беларусь
Минск, Беларусь
Москва, Россия
май 1991
апрель 1991
февраль 1989
февраль 1989.
январь 1990
май 1990
C
C
C
C
C
C
парентеральное заражение при медицинских манипуляциях
10
12
13
Минск, Беларусь
Барнаул, Россия
Самара, Россия
июнь 1990
февраль 1990
январь 1990
A
G
C
Молекулярная эпидемиология ВИЧ-1 в бывшем СССР:
доэпидемический период
Выводы:
Начальный период эпидемии ВИЧ-1 был связан с циркуляцией
различных субтипов ВИЧ-1 в различных группах риска:
- эпидемия ВИЧ-1 характеризовалась значительно большим
генетическим разнообразием циркулирующих вариантов ВИЧ-1 по
сравнению с эпидемиями в других странах Европы и США;
- большинство случаев инфекций было связано с независимыми
заносами ВИЧ-1 из разных эпидемиологических очагов.
Молекулярная эпидемиология ВИЧ-1 в России и СНГ:
лавинообразная эпидемия
Три вируса:
- ВВН-А (субтип А)
- ВВН-B (субтип В)
- ВВН-А/В (CRF03_AB)
- рекомбинация между
- ВВН-A – gag, nef, часть pol, LTR
- ВВН-B – большая часть генома, включая env
BBH-A – наиболее распространен
ВВН-А/В – вспышка в Калининграде
ВВН-В – описаны два случая инфекции (Тамбов и Киев).
Связь с Югом Украины? Однако, все варианты ВИЧ-1 из этого региона (n>20) –
ВВН-А.
Молекулярная эпидемиология ВИЧ-1 в России и СНГ:
лавинообразная эпидемия
1. Первичные очаги – Николаев (n=5), Одесса (n=2), Киев (n=2)
2. Вторичный очаг – Светлогорск, Беларусь (n=20)
3. Регионы, где число случаев новых инфекций не достигло уровня
эпидемии – Санкт-Петербург (n=22)
последовательности участков env V3 и gag p17/p24
AF082465(Калининград)
AF082460(Калининград)
AF098952(Николаев)
AF082459(Калининград)
1. Выявление первичного
эпидемического очага
варианта ВИЧ-1 ВВН-В
AF082475(Калининград)
AF082463(Калининград)
AF082472(Калининград)
AF082461(Калининград)
AF082462(Калининград)
AF082450(Калининград)
AF082455(Калининград)
AF082452(Калининград)
AF082476(Калининград)
AF193276(Калининград)
Б
AF082474(Калининград)
AF082451(Калининград)
AF082467(Калининград)

AF082473(Калининград)
Николаев
AF082469(Калининград)
AF082477(Калининград)
AF082454(Калининград)
AF082453(Калининград)
AF082456(Калининград)
AF082470(Калининград)
AF082466(Калининград)
73
AF082485(Калининград)
AF082471(Калининград)
AF082458(Калининград)
AF170666(Санкт-Петербург)
AF082478(Калининград)
AF082468(Калининград)
AF082464(Калининград)
AF051514(Киев)
AF100937(Николаев)
AF170664(Санкт-Петербург)
AF170645(Санкт-Петербург)
99
AF170665(Санкт-Петербург)
AF170663(Санкт-Петербург)
AF051465(Тамбов)
AF170653(Санкт-Петербург)
100
AF100938(Николаев)
AF100936(Николаев)
AY077629(Николаев)
JRFL B
HXB2 B
L22085 F
U88823 A
U53312 E
AF061642 G
U46016 C
M27323 D
0.05
env-ВВН-B
(ВВН-В и
ВВН-А/B)
1. Выявление первичного эпидемического очага
варианта ВИЧ-1 ВВН-В
участок рекомбинации у ВВН-А/В
субтип A
CRF03_AB
субтип В
2632
|
AAGAGAAAATAAAAGCATTAACAGACATTTGTAAGGAGATGGAAAAGGAAGGAAAAATTTCAAAAATTGGGCCTGAAAATCC
образцы из Николаева:
субтип B
AY026055 ----A----------------T---A-------CA--A--------------G----------------------------AF485372 ----A----------------T---A-------CA--A--------------G---------C------------------AF485371 ----A----------------T---A-------CA--A--------------G-----------------A-----------
2. Вторичный очаг –
экстремально гомогенная
популяция ВИЧ-1 (ВВН-А)

Светлогорск
99
100
99
консенсус-A
A974696
A974699
A974724
A974708
A974712
A904703
A974705
A974711
A974709
A974700
A974704
A974698
A974697
A974701
A974706
A974715
A974710
A974713
A974707
A974714
RU1175
93UA13
консенсус-E
консенсус-G
консенсус-H
консенсус-D
консенсус-C
консенсус-B
консенсус-F
0.02
3. Регионы, где число случаев
новых инфекций не достигло
уровня эпидемии
 Санкт-Петербург
Циркуляция вариантов ВИЧ-1 связана
с географическим происхождением
инфекций.
код
пол
пациента
A976096
A976097
A976098
A976099
A976100
A976101
A976102
A976103
A976104
A976105
A976106
A976108
A976109
A976110
A976111
A976112
A976113
A976114
A976115
A976116
A976117
A976119
М
M
Ж
M
M
M
M
M
M
M
M
M
Ж
M
M
M
M
Ж
M
M
н.д.
Ж
год
рожд.
1977
1962
1982
1979
1971
1958
1976
1962
1977
1963
1978
1977
1976
1976
1979
1979
1975
1970
1977
1970
н.д.
1979
вероятное
место
заражения
Калининград
Украина
Ст.-Петербург
Ст.-Петербург
Калининград
Ростов-на-Дону
Украина
Ст.-Петербург
Калининград
Ст.-Петербург
Молдова
Ст.-Петербург
Ст.-Петербург
Украина
Светлогорск
Ст.-Петербург
Украина
Ст.-Петербург
Калининград
Калининград
Калининград
Калининград
субтип
gag и env
ВВН-A/B
ВВН-A
ВВН-A
ВВН-A
ВВН-A
ВВН-A
ВВН-A
ВВН-A
ВВН-A/B
субтип B
ВВН-A
ВВН-A
ВВН-A
ВВН-A
ВВН-A
ВВН-A
ВВН-A
ВВН-A env
ВВН-A/B
ВВН-A/B
ВВН-B env
ВВН-A/B
Эпидемия ВИЧ-1 ВВН-В в бывшем СССР
зарубежных эпидемий среди ВВН
происхождение
мотив IHIGPGR – уникальный триплет АТТ
всего
страна последовательностей
Россия
39
Украина
4
Литва
1
Норвегия
Нидерланды
Италия
Греция
Великобритания
Канада
США
Таиланд
Израиль
37
28
10
7
4
49
30
11
3
ATT
ATA
ATC GTG GTA
39
4
1
-
-
-
-
-
35
28
10
7
4
49
29
11
3
1
-
1
-
1
-
Происхождение и распространение
лавинообразной эпидемии ВИЧ-1
на территории бывшего Советского Союза
Территория Советского Союза
является единым эпидемиологическим
пространством
Прошлое и будущее
субтипов ВИЧ-1
Скорость эволюции ВИЧ-1 (область V3) – 0,5-1,0 % в год.
10 лет эпидемии – гетерогенность вирусной популяции – 10-20%.
20 лет – 20-40%?
50 лет – 50-100%???
Есть ли предел эволюции/гетерогенности ВИЧ-1?
Генетическое пространство субтипов ВИЧ-1
. .A
. . ..
.
.
. .C
.
. ... .
. .
. . .B
. .
. . ..D
. .
. .
сейчас
.
.
. .
B,. C, D.
. A,
.
. . .
. . . . . .
.
.
.
.
.
. .
.
.
.
.
.
. .
. . . . .
. .. .
. .
.. .
.
.
.
.
.
.
.
в будущем ?
Есть ли предел эволюции/гетерогенности ВИЧ-1?
Подходы к решению вопроса:
1. Популяционное
исследование – перекрестный
гетерогенности вирусов в инфицированной популяции.
анализ
2. Исследование эволюции одного вируса внутри хозяина –
продольный анализ.
Генетическое пространство субтипов ВИЧ-1
. .A
. . ..
.
. . .B
. .
. .
.
. .C
.
. ... .
. . ..D
. .
. .
.
.
. .
B,. C, D.
. A,
.
. . .
. . . . . .
.
.
.
.
.
. .
.
.
.
.
.
. .
. . . . .
. .. .
. .
.. .
.
.
.
.
.
.
.
в 1985, 1990, 1995, 2000 ... - 1-ый подход
.
в 1985, 1990, 1995, 2000 ... - 2-ой подход
Будущее субтипов – популяционные данные
Основные субтипы ВИЧ-1
А
C
Статистика: субтипы
D
А – r = 0,11, r2 = 0,01, p > 0,1
C – r = 0,14, r2 = 0,02, p > 0,1
D – r = 0,08, r2 = 0,01, p > 0,1
Адаптационный ландшафт субтипов ВИЧ-1
про-ВИЧ-1
низкая
адаптация
высокая
. . ..
.
. .
.. .
. .. .
.
A
B
C
..
..
D
.
.
. .. .
генетические
ниши
E
дистанция
Новый субтип ВИЧ-1 (прототип)
Пациент:
Нидерландский моряк, посещавший многочисленные страны, в т.ч. Западную Африку.
Инфицирован до 1995 г.
Молекулярная история
эпидемии ВИЧ-1
История глобальной эпидемии субтипа В ВИЧ-1
V3
синонимичная
pol
нуклеотидная
r=0,33, r2=0,11,
наклон 0,0044,
пересечение с осью
Х – 1976,
p<0,0000001
r=0,44, r2=0,20,
наклон 0,0015,
пересечение с осью
Х – 1977,
p<0,000001
r=0,96, r2=0,92,
наклон 0,0043,
пересечение с осью
Х – 1976, p<0,00001
r=0,97, r2=0,94,
наклон 0,0017,
пересечение с осью
Х – 1979,
p<0,000001
Эволюционный анализ
Изученные вопросы:
- филогенетические отношения внутри семейств и родов
- движущие силы эволюции:
- сравнение синонимичных и несинонимичных дистанций
- межвидовые переносы и
- эволюция, связанная с хозяином:
- сравнение филогенетических деревьев вирусов и их хозяев