HIVの構造とゲノム

HIV（ヒト免疫不全ウイルス）のゲノムとタンパク質は、1983年にウイルスが発見されて以来、広範囲にわたる研究の対象となっている。^{[1] [2] 「原因物質の探索において、当初このウイルスは}ヒトT細胞白血病ウイルス（HTLV）の一種であると考えられていた。HTLVは当時、ヒトの免疫系に影響を及ぼし、特定の白血病を引き起こすことが知られていた。しかし、パリのパスツール研究所の研究者らは、エイズ患者から、これまで知られていなかった遺伝的に異なるレトロウイルスを分離し、後にHIVと名付けられた。」 ^[3]各ビリオンは、ウイルスエンベロープと、カプシドを包む関連マトリックスで構成され、カプシド自体には、一本鎖RNAゲノムの2つのコピーといくつかの酵素が包まれている。ウイルス自体の発見は、エイズ関連疾患の最初の大規模な症例が報告されてから2年後に起こった。^{[4] [5]}

感染性ウイルス粒子から抽出されたHIV-1ゲノムの完全な配列は、一塩基分解能で解読されている。^[6] HIVゲノムは少数のウイルスタンパク質をコードしており、HIVタンパク質間およびHIVと宿主タンパク質との間に常に協力関係を確立して、宿主細胞に侵入し、その内部機構を乗っ取る。^{[7] HIVは他の}レトロウイルスとは構造が異なっている。HIVウイルス粒子の直径は約100nmである。その最も内側の領域は円錐形のコアで構成されており、これには（プラスセンス）ssRNAゲノムの2つのコピー、逆転写酵素、インテグラーゼ、プロテアーゼの酵素、いくつかのマイナータンパク質、および主要なコアタンパク質が含まれている。^[8]ヒト免疫不全ウイルス（HIV）のゲノムは、HIVライフサイクルで重要な役割を果たす8つのウイルスタンパク質をコードしている。^[7]

HIV-1は、レンチウイルスに典型的なウイルスタンパク質p24からなる円錐状のカプシドに囲まれた、非共有結合でスプライスされていないプラス鎖の一本鎖RNAの2つのコピーで構成されています。^{[9] [10]} 2つのRNAは多くの場合同一ですが、独立しているわけではなく、ウイルス粒子内でコンパクトな二量体を形成します。^[11] RNAが1つではなく2つのコピーでパッケージ化されている理由については、おそらく次の利点の組み合わせを含むいくつかの理由が提案されています。 1つの利点は、RNA鎖の2つのコピーが、ウイルス複製の逆転写中に発生するHIV-1組換えに寄与する上で不可欠であり、遺伝的多様性を高めることです。^[11]もう1つの利点は、RNAのコピーが2つあると、逆転写酵素がウイルスRNAの切断に遭遇したときにテンプレートを切り替えることができるため、遺伝情報を損失することなく逆転写を完了できることです。^[11] さらに別の理由は、ウイルスのRNAゲノムの二量体の性質が、ウイルスの複製において構造的な役割を果たしている可能性があることです。 ^{[11]ウイルス粒子内に一本鎖RNAのコピーが2つ含まれているが、単一のDNAプロウイルスのみが生成されることを擬似二倍体と呼びます。 [12]} RNA成分は9749ヌクレオチドの長さで^{[13] [14]}、5'キャップ（Gppp）、3'ポリ（A）テール、および多くのオープンリーディングフレーム（ORF）を持っています。^[15]ウイルスの構造タンパク質は長いORFによってコードされ、より小さなORFはウイルスのライフサイクルの調節因子、つまり付着、膜融合、複製、および組み立てをコードします。^[15]

一本鎖RNAは、p7ヌクレオカプシドタンパク質、後期アセンブリタンパク質p6、および逆転写酵素やインテグラーゼなどのウイルス粒子の発生に不可欠な酵素にしっかりと結合しています。リジンtRNAはマグネシウム依存性逆転写酵素のプライマーです。^{[9]ヌクレオカプシドはゲノムRNA（ヘキサマーあたり1分子）と結合し、}ヌクレアーゼによる消化からRNAを保護します。また、ウイルス粒子内には、Vif、Vpr、Nef、およびウイルスプロテアーゼも封入されています。^[要出典]ウイルス粒子のエンベロープは、宿主細胞起源の細胞膜によって形成され、ウイルスp17タンパク質で構成されるマトリックスによってサポートされ、ウイルス粒子の完全性を確保します。ウイルス粒子の表面には、HIVのエンベロープ糖タンパク質（Env）が少量存在し、これはgp120とgp41のヘテロ二量体によって形成された三量体である。Envは主要な宿主受容体であるCD4とその共受容体（主にCCR5またはCXCR4）に結合し、ウイルスが標的細胞に侵入する役割を果たす。^[16]

ウイルス表面にある唯一のタンパク質であるエンベロープ糖タンパク質（gp120とgp41）は、HIVワクチン開発の主なターゲットとなっている。^[17]三量体エンベロープスパイクの質量の半分以上はN結合型グリカンである。グリカンは下にあるウイルスタンパク質を抗体による中和から守るため、密度が高くなる。これは知られている中で最も高密度にグリコシル化された分子の一つであり、その密度は小胞体とゴルジ体での生合成中にグリカンの正常な成熟プロセスを妨げるほど高い。^{[18] [19]}そのため、グリカンの大部分は、分泌型または細胞表面のヒト糖タンパク質には通常存在しない未熟な「高マンノース型」グリカンとして停滞している。^[20]この異常な処理と高密度は、これまでに特定されたほぼすべての広域中和抗体（感染してから数ヶ月から数年経った患者のサブセットから）が、これらのエンベロープグリカンに結合するか、またはこれに対処するように適応していることを意味します。^[21]

ウイルススパイクの分子構造は、現在、X線結晶構造解析^[22]とクライオ電子顕微鏡法によって決定されています。^[23]構造生物学におけるこれらの進歩は、サブユニット間ジスルフィド結合の導入とgp41のイソロイシンからプロリンへの変異による、ウイルススパイクの安定した組換え型の開発によって可能になりました。 ^[24]いわゆるSOSIP三量体は、天然のウイルススパイクの抗原特性を再現するだけでなく、天然ウイルスに存在するのと同じ程度の未熟なグリカンも示します。^[25]組換え三量体ウイルススパイクは、標的エピトープに対する免疫応答を抑制する働きをする組換え単量体gp120よりも非中和エピトープが少ないため、有望なワクチン候補です。^[26]

HIV には、すべてのレトロウイルスに見られる構造タンパク質をコードするいくつかの主要な遺伝子と、HIV に特有のいくつかの非構造 (「アクセサリ」) 遺伝子があります。^[27] HIV ゲノムには、15 種類のウイルスタンパク質をコードする 9 つの遺伝子が含まれています。^[28]これらは、グループ特異抗原である Gag と呼ばれるウイルス粒子内部のタンパク質を生成するポリタンパク質として合成されます。ウイルス酵素 (Pol、ポリメラーゼ) またはウイルス粒子env (エンベロープ) の糖タンパク質です。^[29]これらに加えて、HIV は特定の調節機能と補助機能を持つタンパク質もコードします。^[29] HIV-1 には、Tat と Rev という 2 つの重要な調節要素と、特定の組織での複製には必須ではない Nef、Vpr、Vif、Vpu などのいくつかの重要なアクセサリタンパク質があります。^[29] gag遺伝子はウイルスの基本的な物理的インフラストラクチャを提供し、pol はレトロウイルスが複製する基本的なメカニズムを提供します。一方、他の遺伝子は HIV が宿主細胞に侵入してその複製を強化するのに役立ちます。突然変異によって変化する可能性はあるものの、 tev を除くこれらの遺伝子はすべて、HIV の既知のすべての変異体に存在します。HIVの遺伝的変異性を参照してください。^[要出典]

HIVは、10kb未満のゲノムから9つの異なる遺伝子産物を得るために、洗練されたRNAスプライシングシステムを採用しています。 ^[30] HIVには、gagとpolの前駆体をコードする9.2kbのスプライスされていないゲノム転写物、env、Vif、Vpr、Vpuをコードする単一スプライスされた4.5kb、およびTat、Rev、Nefをコードする多重スプライスされた2kbのmRNAがあります。^[30]

• gag（グループ特異的抗原）は、ウイルスプロテアーゼによって成熟中にMA（マトリックスタンパク質、p17）、CA（カプシドタンパク質、 p24）、SP1（スペーサーペプチド1、p2）、NC（ヌクレオカプシドタンパク質、p7）、SP2（スペーサーペプチド2、p1）およびP6タンパク質に処理される前駆体gagポリタンパク質をコードします。 ^[31]
• polはウイルス酵素である逆転写酵素（RT）とRNase H、インテグラーゼ（IN）、 HIVプロテアーゼ（PR）をコードしている。 ^[29] HIVプロテアーゼは前駆体Gagポリタンパク質を切断して構造タンパク質を生成するために必要であり、RTはRNAテンプレートからDNAを転写するために必要であり、INは二本鎖ウイルスDNAを宿主ゲノムに統合するために必要である。 ^[27]
• env（エンベロープ）はgp160をコードし、これは宿主細胞の小胞体内で宿主プロテアーゼであるフーリンによって切断される。翻訳後処理により表面糖タンパク質gp120またはSUが生成され、これがリンパ球に存在するCD4受容体に付着し、 gp41またはTMがウイルスエンベロープに埋め込まれてウイルスが標的細胞に付着して融合できるようにする。 ^{[27] [31]}

• tat（HIVトランス活性化因子）は、ウイルスゲノムRNAの逆転写を制御し、ウイルスmRNAの効率的な合成を保証し、感染細胞からのウイルス粒子の放出を制御する上で重要な役割を果たしている。 ^[29] Tatは、72アミノ酸1エクソンTatと86〜101アミノ酸2エクソンTatとして発現し、HIV感染の初期段階で重要な役割を果たしている。Tat（14〜15 kDa）は、 5' LTR 領域近くの膨らんだゲノムRNAステムループ二次構造に結合し、トランス活性化応答要素（TAR）を形成する。 ^{[9] [29]}
• rev（ウイルスタンパク質の発現調節因子）：Revタンパク質は、ウイルス複製中に細胞質から核へのRevの輸送に必要なNLS（核局在シグナル）としても機能するアルギニンに富むRNA結合モチーフをウイルスゲノムに結合します。 ^[29] Revは、TatとRevのコーディングエクソンを分離するイントロンに位置するmRNA envの複雑なステムループ構造を認識します。これはHIV Rev応答エレメント（RRE）として知られています。 ^{[9] [29] Revは主要なウイルスタンパク質の合成に重要であり、したがって}ウイルスの複製に不可欠です。 ^[要出典]

• vpr（レンチウイルスタンパク質R）：Vprは、ウイルス粒子に関連する核質シャトル制御タンパク質です。 [ 29 ^]ウイルスの複製、特にプレインテグレーション複合体の核輸入に重要な役割を果たすと考えられています。Vprはまた、宿主細胞の細胞周期をG2期で停止させるようです。この停止により、宿主DNA修復機構が活性化され、ウイルスDNAの統合が可能になります。 ^[9] HIV-2とSIVは、 Vprに関連して機能するVpxと呼ばれる追加のVpr関連タンパク質をコードしています。 ^[29]
• vif – Vifは高度に保存された23kDaのリン酸化タンパク質で、細胞の種類に応じてHIV-1ウイルス粒子の感染性に重要です。 ^{[9] HIV-1は}リンパ球、マクロファージ、および特定のヒト細胞株で感染性ウイルスを合成するためにVifを必要とすること細胞やCOS細胞などでは、同じプロセスにVifは必要ないようである^{。 [29]}
• nef – Nef（ネガティブ因子）は、N末端ミリストイル化膜関連リン酸化タンパク質です。ウイルスの複製サイクル中に複数の機能に関与しています。細胞のアポトーシスに重要な役割を果たし、ウイルスの感染力を高めると考えられています。 ^[29]
• vpu (ウイルスタンパク質U) – VpuはHIV-1に特異的です。これはクラスIのオリゴマー膜 貫通型リン酸化タンパク質で、多くの生物学的機能を持っています。Vpuはユビキチンプロテアソーム経路を伴うCD4分解と、感染細胞からのウイルス粒子の放出に関与しています。 ^{[9] [29]}
• tev : この遺伝子は少数のHIV-1分離株にのみ存在します。これはtat、env、rev遺伝子の一部が融合したもので、 tatの特性の一部を持ち、 revの特性をほとんどまたは全く持たないタンパク質をコードします。^[32]

HIV pol-1 ステムループ
HIV pol-1 ステムループの予測二次構造
識別子
シンボル	ポール
Rfam	RF01418
その他のデータ
RNAタイプ	シス-レグ
PDB構造	PDBe

HIV RNAゲノム内には、保存された二次構造要素がいくつか特定されています。HIVウイルスRNA構造は、逆転写の進行を制御します。^[33] 5'UTR構造は、小さなリンカーで接続された一連のステムループ構造で構成されています。^[10]これらのステムループ（5'から3'）には、トランス活性化領域（TAR）要素、5'ポリアデニル化シグナル[ポリ(A)]、PBS、DIS、主要SD、ゲノムの5'末端に位置するψヘアピン構造、env遺伝子内のHIV Rev応答要素（RRE）が含まれます。^{[10] [34] [35]}特定されている別のRNA構造は、ウイルスのパッケージングに関与していると考えられているgagステムループ3（GSL3）です。^{[36] [37] RNA二次構造は、HIV}プロテアーゼと逆転写酵素の機能を変化させることでHIVライフサイクルに影響を与えると提案されているが、特定されたすべての要素に機能が割り当てられているわけではない。^[要出典]

SHAPE解析によって決定されたRNA二次構造は、 3つのステムループを含み、HIVプロテアーゼ遺伝子と逆転写酵素遺伝子の間に位置することが示されています。このシス制御RNAは、HIVファミリー全体で保存されていることが示されており、ウイルスのライフサイクルに影響を与えると考えられています。^[38]

3番目の可変ループまたはV3ループは、ヒト免疫不全ウイルスの一部または領域です。ウイルスのエンベロープ糖タンパク質gp120のV3ループは、 HIVの株に応じてCCR5細胞やCXCR4細胞などの標的のヒト免疫細胞上のサイトカイン受容体に結合して、ヒト免疫細胞に感染することを可能にします。^[39] エンベロープ糖タンパク質（Env）gp120/41は、HIV-1が細胞に侵入するために不可欠です。Envは、HIV-1感染者の治療薬の分子標的として、またエイズワクチンを開発するための免疫原の供給源として機能します。しかし、機能的なEnv三量体の構造は依然として不明です。^[40]

• HIV/エイズ研究

ウィキメディア・コモンズには、 HIV の構造とゲノムに関連するメディアがあります。

• HIV pol-1 ステムループの RFAM エントリ
• 完全なHIV1ウイルス粒子の3Dモデル
• Liu J、Wright ER、Winkler H (2010)。「クライオ電子トモグラフィーによる HIV ウイルス粒子の 3D 可視化」。クライオ電子顕微鏡、パート C: 分析、解釈、およびケース スタディ。Methods in Enzymology。Vol. 483。pp. 267–90。doi :10.1016/S0076-6879(10) 83014-9。ISBN 9780123849939. PMC  3056484 . PMID  20888479.