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エイズ（後天性免疫不全症候群）は、ヒト免疫不全ウイルス（HIV）によって引き起こされます。HIV感染者は、「HIV感染」と呼ばれる状態にあります。感染した精液、膣分泌物、または血液が、感染していない人の粘膜や傷ついた皮膚に接触すると、HIVが感染していない人に感染し（「水平感染」）、新たな感染を引き起こす可能性があります。さらに、HIVは、感染した妊婦から妊娠中および/または出産時に感染していない赤ちゃんに感染する（「垂直感染」）、または授乳によって感染することもあります。HIV感染の結果、これらの人々のうち一部は病状が進行し、臨床的に重要なエイズを発症します。
HIVはレトロウイルスの一種であり、レトロウイルスは宿主細胞に感染した後、RNAゲノムのDNAコピーを作成する、多様なRNAウイルスの大きなファミリーを構成しています。HIV -1をはじめとするレトロウイルスの複製サイクルにおいて、このウイルスDNAを宿主DNAに組み込むことは不可欠なステップです。組み込まれたウイルスDNAが転写されると、子孫ウイルス粒子のRNAゲノムとウイルス蛋白質の翻訳鋳型が作られます。
HIV DNAの宿主DNAへの組み込みは、HIVライフサイクルにおける重要なステップです。この組み込みプロセスを理解することで、HIV感染症およびエイズに対する複数の治療介入の可能性のある部位に関する知見を得るための枠組みが提供されます。HIVのゲノムのDNA版を宿主細胞DNAに挿入するHIVの酵素は「インテグラーゼ」と呼ばれます。HIV-1インテグラーゼは、宿主DNAを切断し、プロウイルスゲノムを切断された末端に結合させる「カットアンドペースト」作用を触媒します。このタンパク質は288個のアミノ酸からなり、次の順序で3つの「ドメイン」を含んでいます。
1.アミノ（N）末端ドメイン： N末端ドメインは「亜鉛フィンガー」とも呼ばれ、保存されたHHCC、His、Cys残基から構成され、亜鉛結合に関与するモチーフを形成します。N末端ドメインの機能は完全には解明されていませんが、インテグラーゼがマルチマー（複数のインテグラーゼ分子が凝集した固定構造）を形成するのを助けると考えられています。
2.中心触媒ドメイン（または「触媒コア」）：触媒コアは、二価金属（通常はMg 2+またはMn 2−）との結合を担うDDE触媒三残基（酸性残基）から構成され、活性触媒部位を形成します。HIV-1インテグラーゼの場合、これらの残基はAsp64、Asp116、およびGlu152です。このドメインは進化の過程でもよく保存されています。
HIV-1の触媒ドメインは、溶液中および結晶構造において二量体として存在している。二量体界面の広大な表面積は、それが生物学的に重要な意味を持つことを示している。標的DNAの各鎖上の挿入部位は5塩基対離れており、これはらせん状のB型DNAの場合、約15Åに相当する。このことから、インテグラーゼの触媒ドメイン（または機能単位）には、同様の間隔で隔てられた一対の活性部位が存在すると考えられる。しかしながら、ほぼ球状の二量体における活性部位間の間隔は、標的DNAの2本の鎖上の挿入部位間の間隔とはあまり一致していないようである。結晶構造の解析から、二量体中の活性部位は、タンパク質を直線で測定した場合30Å以上離れており、二量体の周囲で測定した場合、さらに大きな距離になっていることが明らかになっている。二量体界面が機能的なインテグラーゼ多量体においても維持されていると仮定すると、完全なインテグレーション反応が進行するためには、少なくともインテグラーゼの四量体が必要である。
3.カルボキシ（C）末端ドメイン ： C末端ドメインは非特異的にDNAに結合します。標的DNAへの組み込み部位は比較的非特異的であるため、このドメインは標的DNAと何らかの形で協働していると考えられています。キメラインテグラーゼを用いた実験から得られた情報によると、標的部位の認識はコアドメインによって制御されています。また、架橋実験では、C末端ドメインがウイルスDNAの末端のすぐ内側にあるサブターミナル領域と協働していることも示唆されています。
統合過程において、HIVインテグラーゼ酵素は2つの重要な触媒反応を行います。まず、HIV DNAの3'末端処理が行われ、続いてHIV DNAが宿主DNAに鎖転移されます。HIV DNAの統合は、分裂細胞でも休止細胞でも起こり得ます。また、HIVインテグラーゼ酵素は、モノマー、ダイマー、テトラマー、そしておそらくはオクトマーなどのより高次の形態で存在し得ます。各HIV粒子には、推定で40～100個のインテグラーゼ酵素が含まれています。
インテグラーゼの機能はレトロウイルスに特有のものであり、ヒト細胞はDNA断片をゲノムに切り貼りする必要がない。そのため、インテグラーゼ阻害剤はHIV感染症やエイズの治療薬開発における主要な標的となる。インテグラーゼを阻害しても、ヒト細胞の正常な働きを妨げないと考えられるからである。
HIVインテグレーションとは、HIVの遺伝物質が感染細胞のゲノムに挿入されることである。[ 1 ] HIVインテグレーションのプロセスは、6つの連続したステップから構成される。
統合プロセスの最初のステップは、HIV RNAからc-DNAへの逆転写が完了した後、宿主細胞の細胞質内で起こります。このステップでは、インテグラーゼ（おそらく二量体）が新たに形成されたHIV c-DNAの両端に結合します。結合は、長末端反復配列領域の特定の配列で起こります。インテグラーゼ-HIV DNA複合体は、「プレインテグレーション複合体」（PIC）として知られる細胞内ヌクレオプロテイン粒子の一部です。この複合体は、線状HIV DNA、ウイルス蛋白質、および宿主蛋白質から構成されます。ウイルス蛋白質には、インテグラーゼ、ヌクレオカプシド、マトリックス、ウイルス蛋白質R（Vpr）、および逆転写酵素が含まれます。いくつかの宿主蛋白質もこの複合体の一部を形成する可能性がありますが、核輸送前にプレインテグレーション複合体に結合しているかどうかは明らかではありません。
宿主細胞質で起こる統合プロセスの第2段階では、インテグラーゼ二量体がウイルスDNAの各3'末端を切断します。この切断反応により、保存されたCAジヌクレオチド領域の3'側にあるGTジヌクレオチドが除去されます。各ウイルスDNAの3'末端でのジヌクレオチドの切断により、ジヌクレオチド5'「オーバーハング」と3'-ヒドロキシル基を含む反応性中間体が生成されます。この3'処理ステップは、インテグラーゼ酵素によって実行される2つの重要な触媒反応の最初のステップであり、ウイルスDNAを宿主DNAへの統合に備えます。DNA結合および3'処理反応の別の見方では、インテグラーゼの四量体（二量体ではない）がHIV DNAの末端に結合し、その後3'末端を切断します。
統合プロセスの第3段階では、プレインテグレーション複合体が核膜孔複合体の1つを通って宿主細胞の核内に輸送される。
核内では、宿主タンパク質である水晶体上皮由来増殖因子/p75（略称LEDGF /p75）が、プレインテグレーション複合体と宿主DNAに結合する。LEDGF/p75は、プレインテグレーション複合体と宿主DNAの間をつなぐタンパク質（または橋渡しタンパク質）として機能する。LEDGF/p75、宿主DNA、およびプレインテグレーション複合体の結合順序は依然として不明である。ある説では、LEDGF/p75はまずプレインテグレーション複合体に結合し、次に宿主DNAに結合する。別の説では、LEDGF/p75はまず宿主DNAに結合し、次にプレインテグレーション複合体に結合する可能性がある。結合順序に関わらず、LEDGF/p75の存在によってインテグラーゼ二量体が互いに接近し、四量体を形成すると考えられている。
次の段階である鎖転移反応は、宿主細胞の核内で起こり、HIV DNAを宿主DNAの特定の領域に挿入するという重要なステップを含みます。挿入領域には、弱く保存された回文配列が含まれています。この鎖転移反応は、HIVインテグラーゼがHIV DNAの3'-ヒドロキシル基による宿主DNAへの攻撃を触媒することによって開始されます。HIV DNAによる攻撃は、宿主DNAの反対側の鎖に対して、通常4～6塩基対離れたずれた形で起こります。この反応により、ずれた切断の間にある宿主DNA塩基対の結合が分離し、HIVの3'-ヒドロキシル基が宿主DNAの5'リン酸末端と結合します。この時点で、新たに結合したウイルス-宿主DNA領域がほどけます。
鎖転移プロセス後、HIV-DNAと宿主DNAの接合部には、DNAの「ギャップ」と呼ばれる非対合領域が存在する。さらに、ウイルスDNAの5'領域の末端にある2つの塩基対は、鎖転移後も非対合のままである。新しいHIV DNAの挿入と、統合部位を挟む残りのギャップは、宿主細胞のDNA損傷応答を誘発すると考えられているが、このメカニズムの多くは依然として推測の域を出ない。宿主DNA損傷応答は、統合の最終段階である「ギャップ修復」において重要であり、少なくとも3つの宿主酵素（ポリメラーゼ、ヌクレアーゼ、リガーゼ）を必要とする可能性がある。ギャップ修復の最初の段階では、ポリメラーゼ酵素が宿主DNAの両端を伸長し、ギャップを埋めると考えられている。次に、宿主ヌクレアーゼ活性がHIV DNA上の5'ジヌクレオチド「フラップ」を除去する可能性がある。最後に、DNAリガーゼ酵素がHIVと宿主DNA鎖の残りの未結合部分を結合すると考えられています。現在、このメカニズムは実験的にほぼ検証されており、研究が進められている分野です。このギャップ修復プロセスによってHIV DNAの宿主DNAへの組み込みが完了し、完全に組み込まれたHIV DNAは「プロウイルスDNA」と呼ばれます。
最近の研究では、HIV-1 は高度にスプライシングされた遺伝子またはイントロンが多い遺伝子への組み込みを好むことが示唆されています。[ 2 ]この好みは、多くのスプライシング因子と相互作用する宿主クロマチン結合タンパク質 LEDGF/p75 に依存します。[ 2 ]別の研究では、HIV-1 の高度にスプライシングされた遺伝子への好みは、別の宿主因子であるポリアデニル化因子 CPSF6 に依存することが示されました。[ 3 ]イントロンの数が多い癌遺伝子は、HIV-1 によって高度に標的にされます。[ 2 ]
