ЭВОЛЮЦИЯ ВИРУСА ИММУНОДЕФИЦИТА ЧЕЛОВЕКА И МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕРАЦИИ ИЗМЕНЧИВОСТИ

ЭВОЛЮЦИЯ ВИРУСА ИММУНОДЕФИЦИТА ЧЕЛОВЕКА И МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕРАЦИИ ИЗМЕНЧИВОСТИ. Э. В. Карамов ГУ НИИ вирусологии им. Д. И. Ивановского, РАМН ГП Институт иммунологии МЗ РФ

Gen. Bank – 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

Генетическое многообразие ВИЧ-1 генетические дистанции между изолятами – до 30% и более

Строение вириона ВИЧ-1

Геном ВИЧ-1 Участок V 3: 1. Нейтрализационная детерминанта – быстрая эволюция. 2. Функциональная значимость – эволюционные ограничения.

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

Эволюция ВИЧ-1 внутри хозяина в зависимости от прогрессии СПИД 44 пациента, 5 лет наблюдений син. замены несин. замены

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

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 Вильнюс, Литва Вильнюс, Литва генетический субтип области V 3 ноябрь 1986 сентябрь 1990 декабрь 1991 май 1990 январь 1992 февраль 1992 декабрь 1992 B B B B заражение при гетеросексуальных контактах 1 2 5 8 9 20 Москва, Россия Минск, Беларусь Москва, Россия май 1991 апрель 1991 февраль 1989. январь 1990 май 1990 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

Молекулярная эпидемиология ВИЧ-1 в России и СНГ: лавинообразная эпидемия Три вируса: - ВВН-А (субтип А) - ВВН-B (субтип В) - ВВН-А/В (CRF 03_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 V 3 и gag p 17/p 24

1. Выявление первичного эпидемического очага варианта ВИЧ-1 ВВН-В Николаев

1. Выявление первичного эпидемического очага варианта ВИЧ-1 ВВН-В участок рекомбинации у ВВН-А/В субтип A CRF 03_AB субтип В 2632 | AAGAGAAAATAAAAGCATTAACAGACATTTGTAAGGAGATGGAAAAGGAAAAATTTCAAAAATTGGGCCTGAAAATCC образцы из Николаева: субтип B AY 026055 ----A--------T---A-------CA--A-------G--------------AF 485372 ----A--------T---A-------CA--A-------G-----C---------AF 485371 ----A--------T---A-------CA--A-------G---------A------

2. Вторичный очаг – экстремально гомогенная популяция ВИЧ-1 (ВВН-А) Светлогорск

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 год рожд. A 976096 A 976097 A 976098 A 976099 A 976100 A 976101 A 976102 A 976103 A 976104 A 976105 A 976106 A 976108 A 976109 A 976110 A 976111 A 976112 A 976113 A 976114 A 976115 A 976116 A 976117 A 976119 1977 1962 1982 1979 1971 1958 1976 1962 1977 1963 1978 1977 1976 1979 1975 1970 1977 1970 н. д. 1979 М M Ж M M M M M Ж M M н. д. Ж вероятное место заражения Калининград Украина Ст. -Петербург Калининград Ростов-на-Дону Украина Ст. -Петербург Калининград Ст. -Петербург Молдова Ст. -Петербург Украина Светлогорск Ст. -Петербург Украина Ст. -Петербург Калининград субтип gag и env ВВН-A/B ВВН-A ВВН-A/B субтип B ВВН-A ВВН-A env 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 -

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 V 3) – 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 . . . A, B, . C, D. . . 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. . A, B, . C, D. . . 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, r 2 = 0, 01, p > 0, 1 C – r = 0, 14, r 2 = 0, 02, p > 0, 1 D – r = 0, 08, r 2 = 0, 01, p > 0, 1

Адаптационный ландшафт субтипов ВИЧ-1 про-ВИЧ-1 низкая адаптация . . A высокая . . . 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 V 3 синонимичная pol нуклеотидная r=0, 33, r 2=0, 11, наклон 0, 0044, пересечение с осью Х – 1976, p<0, 0000001 r=0, 44, r 2=0, 20, наклон 0, 0015, пересечение с осью Х – 1977, p<0, 000001 r=0, 96, r 2=0, 92, наклон 0, 0043, пересечение с осью Х – 1976, p<0, 00001 r=0, 97, r 2=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