Хемокины и хемокиновые рецепторы: роль в патогенезе ВИЧ-инфекции

Хемокинами называются секретируемые белки, которые участвуют в процессах созревания, переноса и рециркуляции лейкоцитов. Они также играют важную роль во многих патофизиологических процессах, таких как аллергические реакции, инфекции, аутоиммунные заболевания, воспалительные процессы, развитие опухолей и т.п. Хемокины секретируются рядом клеток иммунной системы и в настоящее время идентифицировано более 40 различных протеинов.

В 1980-х генетики лаборатории геномного разнообразия американского Национального Института Рака (US National Cancer Institute, Laboratory of Genomic Diversity) начали программу поиска генов, полиморфные варианты которых могли влиять на процесс заражения ВИЧ и развитие инфекции. Открытия последних лет выявили тесную связь между хемокинами, хемокиновыми рецепторами и ВИЧ-инфекцией. Кроме хорошо известной роли блокирования проникновения вирусной частицы путем связывания с рецепторами, хемокины оказались глубоко вовлечены в процесс патогенеза ВИЧ. Известно, что Т-клетки CD8+ секретируют факторы, которые подавляют репликацию ВИЧ в Т-клетках CD4+. Природа этих факторов оставалась неизвестной вплоть до 1995 года, когда Кокчи (Cocchi et al.) показал, что b хемокины MIP-Ia (macrophage inflammatory protein 1a), MIP-Ib (macrophage inflammatory protein 1b) и RANTES (regulated on activation, normal T expressed and secreted) вносят вклад в супрессивный эффект Т-клеток CD8+. Прорыв в нашем понимании патогенеза ВИЧ связан c идентификацией хемокиновых рецепторов, например, таких как LESTR, который был найден в 1996 году и позже назван CXCR-4. Этот рецептор является необходимым корецептором для проникновения X4-варианта ВИЧ (X4-HIV-1) в клетки. В его отсутствии ВИЧ может связаться с клеткой (через целевой рецептор CD-4), но процесса слияния не происходит. В 1996 году пятью независимыми группами был идентифицирован бета-хемокиновый рецептор (CC) CKR-5 (позже переименованный в CCR-5) как основной корецептор для NSI-подвида ВИЧ.
Гликопротеины gp120 и gp41 оболочки ВИЧ связываются с поверхностью клетки благодаря своему высокому сродству к CD-4, основному вирусному рецептору. Последующее взаимодействие с соответствующим хемокиновым рецептором CCR-5 или CXCR-4 запускает конформационные изменения, приводящие к слиянию вирусной оболочки и клеточной мембраны (рис. 1). Различное поведение вируса в использовании корецепторов подсказало ключ для понимания физиологических основ биологической вариабельности ВИЧ. Разные варианты вируса используют или CCR-5, или CXCR-4, или оба сразу и согласно этому названы X4-HIV-1 (для CXCR-4) и R5-HIV-1 (для CCR-5). Вирус, ранее известный как SI и использующий оба рецептора, назван X4R5-HIV-1 или R3-HIV-1. Эксперименты с линиями клеток позволили выявить ряд других хемокиновых рецепторов, которые используются определенными подвидами вируса (CCR-3, CCR-2, CCR-8, CCR-9, STRL-33, Gpr 15, Gpr 1, APJ, Chem R 23 and CX 3 CR1). Несмотря на это, CCR-5 и CXCR-4 являются основными корецепторами для ВИЧ in vivo. Природные лиганды этих корецепторов могут блокировать проникновение вирусной частицы в клетку (MIP-Ia, MIP-Ib, RANTES связывается с CCR-5, SDF-1 с CXCR-4, MCP-1 с CCR-2 через MCP-5, MCP-3 и MCP-4 с CCR-3). Хемокины, использующие CCR-5, блокируют R5-подвид HIV-1, а использующие CXCR-4 - X4-подвид HIV-1 (рис. 1).

Пути проникновения вируса в клетку
Пути проникновения вируса в клетку

Рис. 1. ВИЧ поражает макрофаги, моноциты и Т-лимфоциты, которые имеют на поверхности клетки рецептор CD4. Вирус проникает в клетку с помощью взаимодействия с двумя рецепторами: СD4 служит для первичного закрепления и захватывает гликопротеин оболочки вируса, затем большой трансмембранный рецептор CCR-5 приближается к комплексу CD4-ВИЧ и связывается с ним. Это взаимодействие вызывает изменение конформации вирусного гликопротеина gp41, что позволяет ему проникнуть в клеточную мембрану, после этого вирусные частицы сливаются с мембраной и инфицируют клетку. Инфицированный организм производит от одного до десяти миллиардов вирусных частиц в день. Среднее время до полного истощения клеток CD4 и начала развития симптомов СПИДа составляет 10 лет. У большинства пациентов происходит мутационный сдвиг in env, который изменяет предпочитаемый корецептор с CCR-5 на CXCR-4, обычно совпадающий с истощением CD4. Природные лиганды для CCR-5 и CXCR-4 физически блокируют ВИЧ-инфекцию, занимая соответствующие рецепторы.

Иммунологические или генетические изменения, которые влияют на уровень хемокинов, могут влиять на восприимчивость к ВИЧ-инфекции или скорости прогрессирования заболевания после инфицирования. Ингибирование проникновения ВИЧ в клетку может основываться на двух возможных механизмах: стерический эффект, заключающийся в конкурентной блокаде рецептора путем прямого связывания с ним лиганда или инактивация рецептора после связывания с хемокином. Ряд исследований подтвердил предположение о том, что высвобождение хемокинов является ранней реакцией на инфицирование вирусом, причем высокий уровень хемокинов, использующих рецептор CCR-5 ассоциирован с более медленной прогрессией заболевания, в то время как другие исследователи подобной связи не обнаружили. В целом, роль хемокинов в патогенезе ВИЧ выяснена не до конца, возможно, благодаря тому, что различные хемокины могут оказывать различное воздействие на репликацию вируса или их действие может быть подавлено вирусными факторами.

Мутации гена CCR5

Основным подвидом вируса при первичной инфекции является подвид R5-HIV-1, использующий рецептор CCR-5, который представлен на поверхности многих клеток, включая CD4, CD8 и активированные Т-клетки. Мутация D32 (Delta32) в гене CCR5 была обнаружена в 1996 г. Делеция 32 п.н., соответствующая второй петле трансмембранного белка, приводит к сдвигу рамки считывания, что вызывает преждевременное окончание трансляции и образующийся белок лишается трех трансмембранных сегментов. Такой рецептор теряет функциональность и носители данной мутации (гомозиготы) приобретают устойчивость к заражению вирусом R5-HIV-1. Гетерезиготы имеют в два раза более низкое количество рецепторов CCR-5, что значительно замедляет репликацию вируса и прогрессию заболевания. Частота мутантного аллеля у европеоидов составляет 10-20% и исключительно редко он встречается у других рас.
Однонуклеотидная замена Т на А в положении 303 приводит к замене цистеина на стоп-кодон в первой петле белка рецептора в положении 101. Было обнаружено, что эта мутация в сочетании с гетерозиготным носительством CCR5-D32 ассоциирована с пониженным риском инфицирования. Однако, частота этого аллеля очень низка и составляет менее 1%.
Ряд полиморфизмов был найден в промоторной области CCR5. Аллель P1 гена CCR5 является гаплотипом, включающим 13 различных аллелей (A59029G, A59402G, G59353C, C59356T и др.), и ассоциирован с более быстрой прогрессией заболевания.

Мутации гена CCR2

Хемокиновый рецептор CCR-2b является минорным корецептором для ВИЧ. Мутация в гене CCR2 приводит к замене валина на изолейцин в положении 64 первого трансмембранного домена рецептора и встречается с частотой 10-25% в различных популяциях. Наличие этой мутации ассоциировано с задержкой развития СПИДа, но механизмы защиты не ясны, так как рецептор CCR-2 очень редко используется вирусом как корецептор и мутация не вызывает изменения количества рецепторов CCR-2 и не оказывает влияния на передачу сигнала от CCR-2-специфичных лигандов. Возможно, эта мутация находится в неравновесии по сцеплению с другими мутациями в регуляторной или промоторной областях гена CCR5. Например, CCR5-59653T находится в неравновесии по сцеплению с CCR2-64I, но функциональное значение этого факта пока неясно. В одной работе было показано, что вариант 64I рецептора CCR-2 может образовывать димеры с белком CXCR-4 (он заменяет рецептор CCR-5 в качестве основного рецептора для вируса на поздних стадиях заболевания), в то время как природный белок CCR-2 - нет. Это исследование, требующее подтверждения, позволяет предположить, что CCR2 V64I задерживает развитие СПИДа путем замедления смены CCR-5 на CXCR-4 у пациентов, что является поворотным моментом в истощении CD4 Т-лимфоцитов и началом проявления симптомов СПИДа.

Мутации гена CCL5

RANTES является основным лигандом для CCR-5. Повышенный уровень RANTES был выявлен у людей, избежавших заражения при контакте с ВИЧ-инфицированными, а также у пациентов с замедленным развитием заболевания. Один из семи полиморфизмов, найденных в CCL5 (ген, кодирующий RANTES), расположен в регуляторной области первого интрона и приводит к различиям в способности связывания аллелей с ядерными белками, что вызывает уменьшение транскрипционной активности в четыре раза. Снижение скорости синтеза RANTES у носителей этого аллеля ведет к быстрой прогрессии СПИДа, по-видимому из-за увеличения количества рецепторов CCR-5, не занятых лигандом и доступных для репликации вирусных частиц.
Известны однонуклеотидные полиморфизмы в промоторной области гена CCL5 - C(-28)G и G(-403)A, которые ассоциированы с усиленной транскрипцией RANTES и замедлением прогрессии заболевания.

Мутации гена CXCL12

Вариант 3'А гена CXCL12 (SDF-1 3'A) является заменой G на A в 3'-нетранслируемой области одного из двух транскриптов CXCL12, продукт которого, SDF-1, - основной лиганд рецептора CXCR-4. Мутация расположена на 37 п.н. дальше двух блоков (801 п.н. от стоп-кодона), последовательность которых консервативна на 88% и 92% соответственно. Подобная относительно высокая гомология позволяет предположить, что данная область содержит важные сайты связывания для RNA- (или DNA-) регуляторных факторов. И, хотя аллель-специфичные клеточные или вирусные различия не были найдены, задержка развития заболевания, наблюдаемая у гомозигот SDF-1 3'A, может являться результатом перепроизводства SDF-1 в некоторых компартментах, что откладывает CCR-5-CXCR-4 превращение.

Другие мутации: гены цитокинов IL10 и IFNG

Гены IL10 и IFNG кодируют интерлейкин-10 и гамма-интерферон, которые являются сильными цитокинами, ингибирующими репликацию ВИЧ. 5'А вариант IL10 включает в себя изменение в промоторном регионе, что приводит к уменьшению транскрипционной активности в 2-4 раза. Синтетический олигонуклеотид, соответствующий аллелю 5'A, не обладает способностью связывания с транскрипционными факторами ETS-семейства, которые узнают последовательность IL10. Гетеро- и гомозиготы по IL10-5'A ускоряют прогрессию СПИДа, вероятно, из-за уменьшения синтеза цитокина IL10. Ген IFNG имеет полиморфизм T(-179)G в промоторной области, один аллель которого индуцируется фактором некроза опухолей (TNFa), а второй - нет. Носительство аллеля -179T ускоряет развитие заболевания по сравнению с гомозиготами -179G/G.