Estructura y genoma del VIH.

El genoma y las proteínas del VIH (virus de inmunodeficiencia humana) han sido objeto de extensas investigaciones desde el descubrimiento del virus en 1983. "En la búsqueda del agente causal, Inicialmente se creyó que el virus era una forma del virus de la leucemia de células T humanas (HTLV), que en ese momento se sabía que afectaba el sistema inmunológico humano y causaba ciertas leucemias. Sin embargo, investigadores del Instituto Pasteur de París aislaron en pacientes con SIDA un retrovirus previamente desconocido y genéticamente distinto, que más tarde recibió el nombre de VIH." Cada virión comprende una envoltura viral y una matriz asociada que encierra una cápside, que a su vez encierra dos copias del genoma de ARN monocatenario y varias enzimas. El descubrimiento del virus se produjo dos años después de que se informaran de los primeros casos importantes de enfermedades asociadas al SIDA.

Estructura

La secuencia completa del genoma del VIH-1, extraída de viriones infecciosos, se ha resuelto con resolución de un solo nucleótido. El genoma del VIH codifica una pequeña cantidad de proteínas virales, estableciendo invariablemente asociaciones cooperativas entre las proteínas del VIH y entre el VIH y las proteínas del huésped, para invadir las células del huésped y secuestrar sus maquinarias internas. El VIH tiene una estructura diferente a la de otros retrovirus. El virión del VIH tiene ~100 nm de diámetro. Su región más interna consta de un núcleo en forma de cono que incluye dos copias del genoma de ssRNA (sentido positivo), las enzimas transcriptasa inversa, integrasa y proteasa, algunas proteínas menores y la proteína central principal. El genoma del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) codifica 8 proteínas virales que desempeñan funciones esenciales durante el ciclo de vida del VIH.

El VIH-1 está compuesto por dos copias de ARN monocatenario de sentido positivo, sin empalmes y unidos de forma no covalente, encerrado por una cápside cónica compuesta por la proteína viral p24, típica de los lentivirus. Los dos ARN suelen ser idénticos, pero no son independientes, sino que forman un dímero compacto dentro del virión. Se han propuesto varias razones de por qué se empaquetan dos copias de ARN en lugar de solo una, incluida probablemente una combinación de estas ventajas: una ventaja es que las dos copias de las cadenas de ARN son vitales para contribuir a la recombinación del VIH-1, que ocurre durante transcripción inversa de la replicación viral, aumentando así la diversidad genética. Otra ventaja es que tener dos copias de ARN permitiría a la transcriptasa inversa cambiar de plantilla cuando encuentre una rotura en el ARN viral, completando así la transcripción inversa sin pérdida de información genética. Otra razón más es que la naturaleza dimérica del genoma de ARN del virus puede desempeñar un papel estructural en la replicación viral. La contención de dos copias de ARN monocatenario dentro de un virión pero la producción de un solo provirus de ADN se denomina pseudodiploidía. El componente de ARN tiene 9749 nucleótidos de largo y lleva una tapa de 5' (Gppp), una cola poli(A) de 3' y muchos marcos de lectura abiertos (ORF). Las proteínas estructurales virales están codificadas por ORF largos, mientras que los ORF más pequeños codifican reguladores del ciclo de vida viral: unión, fusión de membranas, replicación y ensamblaje.

El ARN monocatenario está estrechamente unido a las proteínas de la nucleocápside p7, a la proteína de ensamblaje tardío p6 y a enzimas esenciales para el desarrollo del virión, como la transcriptasa inversa y la integrasa. El ARNt de lisina es el cebador de la transcriptasa inversa dependiente de magnesio. La nucleocápside se asocia con el ARN genómico (una molécula por hexámero) y protege el ARN de la digestión por las nucleasas. También están encerrados dentro de la partícula del virión Vif, Vpr, Nef y la proteasa viral. La envoltura del virión está formada por una membrana plasmática de origen de la célula huésped, que está sostenida por una matriz compuesta por la proteína viral p17, asegurando la integridad de la partícula del virión. En la superficie del virión se puede encontrar un número limitado de la glicoproteína de la envoltura (Env) del VIH, un trímero formado por heterodímeros de gp120 y gp41. Env es responsable de unirse a su receptor primario del huésped, CD4, y a su correceptor (principalmente CCR5 o CXCR4), lo que lleva a la entrada viral en su célula diana.

Como las únicas proteínas en la superficie del virus, las glicoproteínas de la envoltura (gp120 y gp41) son los principales objetivos de los esfuerzos de vacunación contra el VIH. Más de la mitad de la masa de la espiga de la envoltura trimérica son glicanos unidos a N. La densidad es alta ya que los glicanos protegen a la proteína viral subyacente de la neutralización por parte de los anticuerpos. Esta es una de las moléculas más densamente glicosiladas conocidas y la densidad es suficientemente alta como para impedir el proceso de maduración normal de los glicanos durante la biogénesis en el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi. Por lo tanto, la mayoría de los glicanos se consideran compuestos inmaduros con "alto contenido de manosa". glicanos que normalmente no están presentes en las glicoproteínas humanas secretadas o en la superficie celular. El procesamiento inusual y la alta densidad significan que casi todos los anticuerpos ampliamente neutralizantes que se han identificado hasta ahora (de un subconjunto de pacientes que han estado infectados durante muchos meses o años) se unen a estos glicanos de la envoltura o están adaptados para hacerles frente.

La estructura molecular del pico viral ahora se ha determinado mediante cristalografía de rayos X y microscopía crioelectrónica. Estos avances en biología estructural fueron posibles gracias al desarrollo de formas recombinantes estables de la espiga viral mediante la introducción de un enlace disulfuro entre subunidades y una mutación de isoleucina a prolina en gp41. Los llamados trímeros SOSIP no sólo reproducen las propiedades antigénicas del pico viral nativo sino que también muestran el mismo grado de glucanos inmaduros que se presentan en el virus nativo. Los picos virales triméricos recombinantes son candidatos a vacunas prometedores, ya que muestran menos epítopos no neutralizantes que la gp120 monomérica recombinante, que actúa para suprimir la respuesta inmune a los epítopos diana.

Organización del genoma

El VIH tiene varios genes importantes que codifican proteínas estructurales que se encuentran en todos los retrovirus, así como varios genes no estructurales ("accesorios") exclusivos del VIH. El genoma del VIH contiene nueve genes que codifican quince proteínas virales. Éstas se sintetizan como poliproteínas que producen proteínas para el interior del virión, llamadas Gag, antígeno específico de grupo; las enzimas virales (Pol, polimerasa) o las glicoproteínas de la env (envoltura) del virión. Además de éstas, el VIH codifica proteínas que también tienen determinadas funciones reguladoras y auxiliares. El VIH-1 tiene dos elementos reguladores importantes: Tat y Rev y algunas proteínas accesorias importantes como Nef, Vpr, Vif y Vpu que no son esenciales para la replicación en ciertos tejidos. El gen gag proporciona la infraestructura física básica del virus, y el pol proporciona el mecanismo básico mediante el cual los retrovirus se reproducen, mientras que los demás ayudan al VIH a entrar en la célula huésped y mejorar su reproducción. Aunque pueden verse alterados por mutación, todos estos genes, excepto tev, existen en todas las variantes conocidas del VIH; ver Variabilidad genética del VIH.

El VIH emplea un sofisticado sistema de empalme diferencial de ARN para obtener nueve productos genéticos diferentes a partir de un genoma de menos de 10 kb. El VIH tiene una transcripción genómica no empalmada de 9,2 kb que codifica los precursores gag y pol; una codificación de 4,5 kb empalmada individualmente para env, Vif, Vpr y Vpu y una codificación de ARNm de 2 kb empalmada múltiple para Tat, Rev y Nef.

Proteínas estructurales virales

• gag (antígeno específico del grupo) códigos para la poliproteína de la gag precursora que es procesada por la proteasa viral durante la maduración a MA (proteína de la matriz, p17); CA (proteína de la cómpida, p24); SP1 (p2 del péptido del espacio; NC (proteína de la nucleocapsida, p7); SP2 y proteína P6.
• pol códigos para enzimas virales transcriptasa inversa (RT) y RNase H, integrase (IN), y proteasa del VIH (PR). La proteasa del VIH es necesaria para liberar el precursor de la poliproteína Gag para producir proteínas estructurales, se requiere RT para transcribir el ADN de la plantilla de ARN, y IN es necesario para integrar el ADN viral de doble tirada en el genoma host.
• env (para "envelope") los códigos para gp160, que es codificado por una proteasa anfitriona, furina, dentro del reticulum endoplasmático de la célula anfitriona. El procesamiento post-translacional produce una glicoproteína superficial, gp120 o SU, que se une a los receptores CD4 presentes en los linfocitos, y gp41 o TM, que incrusta en el sobre viral para permitir que el virus se adhiera y se fusione con las células objetivo.

Elementos regulatorios esenciales

• tat (Trans-activador del VIH) desempeña un papel importante en la regulación de la transcripción inversa del genoma viral RNA, asegurando una síntesis eficiente de las ARN virales y regulando la liberación de viriones de células infectadas. Tat se expresa como 72-aminoácido un-exón Tat, así como la Tat de 2exon de 86-101-aminoácidos, y juega un papel importante temprano en la infección por el VIH. Tat (14–15 kDa) se une a la estructura secundaria genómica de ARN abultada cerca de la región de 5' LTR que forma el elemento de respuesta a la transactivación (TAR).
• rev (regulador de expresión de proteínas de virión): La proteína Rev se une al genoma viral a través de un motivo de unión de ARN rico en arginina que también actúa como un NLS (señales de localización nuclear), requerido para el transporte de Rev al núcleo del citosol durante la replicación viral. Rev reconoce una estructura de tallo complejo del mRNA env ubicado en el intrón separando el exón de codificación de Tat y Rev, conocido como el elemento de respuesta del VIH Rev (RRE). Rev es importante para la síntesis de las principales proteínas virales y por lo tanto es esencial para la replicación viral.

Proteínas reguladoras accesorias

• vpr (proteína de virus de alto contenido R): Vpr es una proteína reguladora de obturación nucleocitoplasmática asociada al virión. It is believed to play an important role in replication of the virus, specifically, nuclear import of the preintegration complex. Vpr también parece causar que sus células anfitrionas arresten su ciclo celular en la fase G2. Este arresto activa la maquinaria de reparación de ADN anfitriona que puede permitir la integración del ADN viral. El VIH-2 y el SIV codifican una proteína relacionada con Vpr adicional llamada Vpx que funciona en asociación con Vpr.
• vif - Vif es una fosfoproteína de 23 kDa muy conservada para la infectividad de los viriones VIH-1 dependiendo del tipo celular. Se ha encontrado que el VIH-1 requiere Vif para sintetizar virus infecciosos en linfocitos, macrófagos y ciertas líneas celulares humanas. No parece requerir Vif para el mismo proceso en células HeLa o células COS, entre otros.
• nef- Nef, factor negativo, es una fosfoproteína asociada a la membrana N-terminal. Está involucrado en múltiples funciones durante el ciclo de replicación del virus. Se cree que juega un papel importante en la apoptosis celular y aumenta la infectividad del virus.
• vpu (Proteína Virus U) - Vpu es específico del VIH-1. Es una clase I oligomeric membrana integral fosfoproteína con numerosas funciones biológicas. Vpu está involucrado en la degradación del CD4 que implica la vía proteasome ubiquitina, así como en la liberación exitosa de viriones de células infectadas.
• tev: Este gen sólo está presente en unas pocas aíslas VIH-1. Es una fusión de partes de la tat, env, y rev genes, y códigos para una proteína con algunas de las propiedades de tat, pero poco o ninguna de las propiedades de rev.

Estructura secundaria del ARN

Se han identificado varios elementos conservados de la estructura secundaria dentro del genoma del ARN del VIH. Las estructuras de ARN viral del VIH regulan la progresión de la transcripción inversa. La estructura 5'UTR consta de una serie de estructuras de vástago-bucle conectadas por pequeños conectores. Estos bucles de vástago (5' a 3') incluyen el elemento de la región de transactivación (TAR), el 5' señal de poliadenilación [poli(A)], el PBS, el DIS, el SD mayor y la estructura de horquilla ψ ubicada dentro del segmento 5' extremo del genoma y el elemento de respuesta Rev del VIH (RRE) dentro del gen env. Otra estructura de ARN que se ha identificado es el bucle 3 del tallo gag (GSL3), que se cree que está implicada en el empaquetado viral. Se ha propuesto que las estructuras secundarias de ARN afectan el ciclo de vida del VIH al alterar la función de la proteasa y la transcriptasa inversa del VIH, aunque no a todos los elementos identificados se les ha asignado una función.

Se ha demostrado que una estructura secundaria de ARN determinada mediante análisis SHAPE contiene tres bucles de tallo y está ubicada entre los genes de la proteasa del VIH y la transcriptasa inversa. Se ha demostrado que este ARN regulador cis se conserva en toda la familia del VIH y se cree que influye en el ciclo de vida viral.

bucle V3

El bucle de la tercera variable o bucle V3 es una parte o región del Virus de Inmunodeficiencia Humana. El bucle V3 de la glicoproteína de la envoltura del virón, gp120, le permite infectar células inmunitarias humanas uniéndose a un receptor de citoquinas en la célula inmunitaria humana objetivo, como una célula CCR5 o una célula CXCR4. , dependiendo de la cepa del VIH. La glicoproteína de la envoltura (Env) gp 120/41 es esencial para la entrada del VIH-1 a las células. Env sirve como objetivo molecular de un medicamento que trata a personas con infección por VIH-1 y como fuente de inmunógeno para desarrollar una vacuna contra el SIDA. Sin embargo, la estructura del trímero Env funcional sigue siendo difícil de alcanzar.