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 II Несинонимичные замены (значимые) – изменяют аминокислотный остаток и, соответственно, свойства белка; подвержены стабилизирующему и/или расщепляющему отбору. ATA ATG IM 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