Informatie

10.6C: De levenscyclus van hiv - biologie


leerdoelen

  1. Beschrijf hoe het retrovirus HIV-1 elk van de volgende stappen tijdens zijn levenscyclus uitvoert. (Neem de volgende sleutelwoorden op in uw beschrijving: gp120, CD4, chemokine-receptoren, gp41, capside, RNA-genoom, reverse transcriptase, dubbelstrengs DNA-tussenproduct, provirus, polyproteïnen, proteasen en ontluikend.)
    1. virale hechting of adsorptie aan de gastheercel
    2. virale binnenkomst in de gastheercel
    3. virale verplaatsing naar de plaats van replicatie in de gastheercel en productie van een provirus.
    4. virale replicatie in de gastheercel
    5. virale assemblage of rijping in de gastheercel en afgifte uit de gastheercel
  2. Noem 3 soorten cellen die HIV voornamelijk infecteert en leg kort uit waarom.

De structuur van het humaan immunodeficiëntievirus (hiv)

HIV (zie HIV A, HIV B en HIV C) heeft tijdens replicatie een envelop die is afgeleid van gastheercelmembranen. Bij de envelop horen twee door HIV gecodeerde glycoproteïnen, gp120 en gp41. Onder de envelop bevindt zich een eiwitmatrix die is samengesteld uit p17. In het virus zit een capside of kern gemaakt van het eiwit p24. Het nucleocapside bevat ook p6, p7, reverse transcriptase (p66/p51), integrase (p32), protease (p10) en 2 moleculen enkelstrengs RNA, het virale genoom (zie figuur (PageIndex{3}) ).

Zie de AIDS Pathology Tutorial van de University of Utah om verdere elektronenmicrofoto's van HIV te bekijken.

De levenscyclus van het humaan immunodeficiëntievirus (hiv)

1. gehechtheid of adsorptie aan de gastheercel

Aanvankelijk gebruikt HIV een cellulair eiwit dat cyclofiline wordt genoemd en dat een onderdeel is van de envelop om te binden aan een gastheercelreceptor met lage affiniteit, heparine genaamd. Deze eerste interactie (niet getoond in de illustraties of animaties) stelt het virus in staat om in eerste instantie contact te maken met de gastheercel. Om een ​​menselijke cel te infecteren, moet echter een envelopglycoproteïne op het oppervlak van HIV, gp120 genaamd, adsorberen aan zowel een CD4-molecuul als vervolgens aan een chemokinereceptor die alleen op het oppervlak van bepaalde typen van bepaalde menselijke cellen wordt aangetroffen.

Menselijke cellen die CD4-moleculen bezitten, zijn onder meer:

  • T4-helperlymfocyten (ook wel T4-cellen en CD4 . genoemd)+ cellen)
  • monocyten
  • macrofagen
  • dendritische cellen

Chemokines zijn cytokinen die een ontstekingsreactie bevorderen door witte bloedcellen uit de bloedvaten en in het weefsel te trekken om infecties te bestrijden. Verschillende witte bloedcellen hebben receptoren op hun oppervlak voor verschillende chemokinen. Men denkt nu dat de chemokine-receptoren het type CD4 . bepalen+ cel die HIV kan infecteren. Ten eerste bindt een deel of domein van het HIV-oppervlakteglycoproteïne gp120 aan zijn primaire receptor, een CD4-molecuul op de gastheercel. Dit induceert een vormverandering die het mogelijk maakt dat de chemokinereceptorbindende domeinen van het gp120 een interactie aangaan met een chemokinereceptor van een gastheercel. De chemokinereceptor functioneert als de virale co-receptor. Deze interactie brengt een andere conformationele verandering teweeg die een eerder begraven deel van het transmembraan glycoproteïne gp41 blootlegt, het fusiepeptide genaamd, dat de virale envelop in staat stelt te fuseren met het gastheercelmembraan (zie figuur (PageIndex{1})A, figuur (PageIndex{1})B), en figuur (PageIndex{1})C).

Animatie: Adsorptie van HIV aan een T4-helper-lymfocyt. De HIV-envelop gp120 moet hechten aan zowel een CD4-molecuul als een chemokinereceptor op het oppervlak van dergelijke cellen zoals macrofagen en T4-helperlymfocyten om de cel binnen te gaan. De gp120 bindt eerst aan een CD4-molecuul op het plasmamembraan van de gastheercel. De interactie tussen het gp120 en het CD4-molecuul op de gastheercel induceert een vormverandering die de chemokinereceptorbindende domeinen van het gp120 in de buurt van de chemokinereceptor van de gastheercel brengt

  • Transmissie-elektronenmicrofoto die envelop- en glycoproteïnepieken (gp120) van HIV toont; met dank aan CDC.
  • Scanning-elektronenmicrofoto die HIV toont die een T4-lymfocyt infecteert; met dank aan CDC.

YouTube-animatie die adsorptie en penetratie van hiv illustreert.

De meeste stammen van HIV worden M-tropisch of T-tropisch genoemd. De gp120 van M-tropisch HIV (zie figuur (PageIndex{2})) kan adsorberen aan de CD4-moleculen en de CCR5-chemokinereceptoren die op CD4 worden gevonden+ macrofagen, onrijpe dendritische cellen en geheugen T4-lymfocyten. (M-tropische HIV worden ook R5-virussen genoemd omdat ze adsorberen aan de chemokinereceptor CCR5.) M-tropische HIV vereist slechts lage niveaus van CD4-moleculen die tot expressie worden gebracht op het oppervlak van de gastheercel voor infectie. Men denkt dat M-tropic HIV de infectie verspreidt. Deze stammen lijken langzamer te repliceren en minder virulent te zijn dan de latere T-tropische stammen en veroorzaken geen vorming van syncytia. HIV repliceert aanvankelijk tot hoge niveaus in macrofagen zonder ze te vernietigen. (De T-tropische HIV, die later bij HIV-infectie wordt gevonden, repliceert zich sneller, is virulenter en leidt tot syncytia-vorming.)

Naarmate de tijd verstrijkt, zorgt een mutatie in het gen dat codeert voor gp120 ervoor dat een deel van het hiv dual-tropisch wordt en zowel macrofagen via de CCR5-chemokinereceptor op deze cellen kan infecteren, als T4-lymfocyten via de CCR5- en CXCR4-chemokinereceptoren die op deze cellen worden gevonden. deze cellen. (Duel-tropische HIV worden ook R5X4-virussen genoemd omdat ze adsorberen aan zowel de chemokinereceptoren CCR5 als CXCR4.)

Later in de loop van de HIV-infectie hebben de meeste virussen hun gp120 gemuteerd om T-tropisch te worden (zie figuur (PageIndex{2})) en voornamelijk volwassen dendritische cellen en T4-lymfocyten te infecteren door middel van CD4 en de CXCR4-co-receptoren gevonden op deze cellen. (T-tropische HIV worden ook X4-virussen genoemd omdat ze adsorberen aan de chemokinereceptor CXCR4.) T-tropische HIV vereist hoge niveaus van CD4-moleculen die tot expressie worden gebracht op het oppervlak van de gastheercel voor infectie. Zoals vermeld, zijn deze T-tropische stammen van HIV sneller replicerend en virulenter, en veroorzaken ze de vorming van syncytia en beginnen de cycli van vernietiging van T4-lymfocyten.

HIV-infecterende microgliacellen in de hersenen lijken te binden aan een CD4-molecuul en een chemokinereceptor genaamd CCR3 die op deze macrofaagachtige cellen wordt aangetroffen.

2. Virale binnenkomst in de gastheercel

Zoals hierboven vermeld onder adsorptie, induceert de binding van een deel of domein van het gp120-glycoproteïne aan het oppervlak van het HIV aan een CD4-molecuul op de gastheercel een vormverandering die de chemokinereceptorbindende domeinen van het gp120 in de nabijheid van de chemokinereceptor van de gastheercel brengt. . Dit brengt op zijn beurt een conformationele verandering teweeg die een eerder begraven deel van het transmembraan glycoproteïne gp41 blootlegt, waardoor de virale envelop kan fuseren met het gastheercelmembraan (zie figuur (PageIndex{5}) en figuur (PageIndex {6})). Na fusie van de virale envelop met het cytoplasmatische membraan van de gastheercel, komt de genoombevattende eiwitkern van het virus het cytoplasma van de gastheercel binnen. (Af en toe komt het virus binnen door endocytose, waarna de virale envelop versmelt met het endocytische blaasje en de genoombevattende kern vrijgeeft in het cytoplasma.)

Animatie: penetratie van HIV in gastheercel. De binding van een deel of domein van het HIV-oppervlakte-glycoproteïne gp120 aan een CD4-molecuul op de gastheercel induceert een verandering in vorm die de chemokinereceptorbindende domeinen van het gp120 in de nabijheid van de chemokinereceptor van de gastheercel brengt. Dit brengt op zijn beurt een conformationele verandering teweeg die een eerder begraven deel van het transmembraan glycoproteïne gp41 blootlegt, waardoor de virale envelop kan fuseren met het gastheercelmembraan. Na fusie van de virale envelop met het cytoplasmatische membraan van de gastheercel, komt de genoombevattende eiwitkern van het virus het cytoplasma van de gastheercel binnen.

3. Virale verplaatsing naar de replicatieplaats binnen de gastheercel en productie van een provirus

Tijdens het verwijderen van de coating worden de enkelstrengs RNA-genomen in de kern of capside van het virus vrijgegeven in het cytoplasma. HIV gebruikt nu het enzym reverse transcriptase, geassocieerd met het virale RNA-genoom, om een ​​DNA-kopie van het RNA-genoom te maken. (Normale transcriptie in de natuur is wanneer het DNA-genoom wordt getranscribeerd in mRNA dat vervolgens wordt vertaald in eiwit. Bij reverse transcriptie van HIV wordt RNA omgekeerd in DNA getranscribeerd.)

Reverse transcriptase heeft drie enzymactiviteiten:

  1. Het heeft RNA-afhankelijke DNA-polymerase-activiteit die het virale (+) RNA kopieert naar een (-) viraal complementair DNA (cDNA);
  2. Het heeft ribonuclease-activiteit die het virale RNA afbreekt tijdens de synthese van cDNA; en
  3. Het heeft DNA-afhankelijke DNA-polymerase-activiteit die de (-) cDNA-streng kopieert naar een (+) DNA om een ​​dubbelstrengs DNA-tussenproduct te vormen.

Terwijl het cDNA wordt gesynthetiseerd uit de RNA-matrijs, degradeert de ribonuclease-activiteit het virale RNA-genoom (zie figuur (PageIndex{7})A, figuur (PageIndex{7})B en figuur ( PageIndex{7})C). De reverse transcriptase maakt dan een complementaire DNA-streng om een ​​dubbelstrengs viraal DNA-tussenproduct te vormen (zie figuur (PageIndex{7})D).

Animatie: HIV kopieert RNA naar DNA met reverse transcriptase. De enkelstrengs RNA-genomen komen vrij uit de capside. HIV gebruikt het enzym reverse transcriptase om zijn RNA-genoom te transcriberen in enkelstrengs DNA. Terwijl het DNA wordt gemaakt, wordt het RNA-genoom afgebroken door een RNase. De reverse transcriptase synthetiseert vervolgens een complementaire DNA-streng om een ​​dubbelstrengs DNA-tussenproduct te produceren dat de kern van de geïnfecteerde gastheercel binnengaat.

Een viraal enzym, integrase genaamd, bindt zich vervolgens aan het dubbelstrengs virale DNA-tussenproduct, transporteert het door de poriën van het kernmembraan van de gastheercel en voegt het in een van de chromosomen van de gastheercel in om een ​​provirus te vormen (zie figuur (PageIndex{8) })A en figuur (PageIndex{8})B).

Animatie: vorming van een Provirus. Een hiv-enzym, integrase genaamd, wordt gebruikt om het dubbelstrengs-DNA-tussenproduct van hiv in het DNA van het chromosoom van een gastheercel in te voegen. HIV is nu een provirus.

Na integratie kan het provirale DNA van HIV aanwezig zijn in een latente of productieve toestand, die wordt bepaald door genetische factoren van de virale stam, het type geïnfecteerde cel en de productie van specifieke gastheerceleiwitten.

Het grootste deel van het provirale DNA is geïntegreerd in de chromosomen van geactiveerde T4-lymfocyten. Deze omvatten in het algemeen tussen 93% en 95% van de geïnfecteerde cellen en zijn productief geïnfecteerd, niet latent geïnfecteerd. Een klein percentage van de met HIV geïnfecteerde geheugen-T4-lymfocyten blijft echter in rusttoestand vanwege een latent provirus. Deze, samen met geïnfecteerde monocyten, macrofagen en dendritische cellen, zorgen voor stabiele reservoirs van HIV die kunnen ontsnappen aan de afweer van de gastheer en antiretrovirale chemotherapie.

4. Replicatie van HIV in de gastheercel

De overgrote meerderheid van de T4-lymfocyten, die productief zijn geïnfecteerd, beginnen onmiddellijk nieuwe virussen te produceren. In het geval van het kleine percentage geïnfecteerde, rustende geheugen T4-lymfocyten, voordat replicatie kan plaatsvinden, moet het HIV-provirus worden geactiveerd. Dit wordt bewerkstelligd door middel van antigene stimulatie van de geïnfecteerde T4-lymfocyten of hun activering door factoren zoals cytokinen, endotoxinen en superantigenen.

Na activering van het provirus worden moleculen van (+) mRNA van de (-) provirale DNA-streng afgeschreven door het enzym RNA-polymerase II. Eenmaal gesynthetiseerd, gaat hiv-mRNA door de kernporiën in het ruwe endoplasmatisch reticulum naar de ribosomen van de gastheercel, waar het wordt vertaald in structurele hiv-eiwitten, enzymen, glycoproteïnen en regulerende eiwitten (zie figuur (PageIndex{3})).

Er wordt een mRNA van 9 kilobase gevormd dat voor drie virale functies wordt gebruikt:

A. Synthese van Gag-polyproteïnen (p55). Deze polyproteïnen zullen uiteindelijk worden gesplitst door HIV-proteasen om HIV-matrixeiwitten (MA; p17), capside-eiwitten (CA; p24) en nucleocapside-eiwitten (NC, p7) te worden. Zie figuur (PageIndex{9})A en figuur (PageIndex{9})B.

B. Synthese van Gag-Pol-polyproteïnen (p160). Deze polyproteïnen zullen uiteindelijk worden gesplitst door HIV-proteasen om HIV-matrixeiwitten (MA; p17), capside-eiwitten (CA; p24), proteasemoleculen (protease of PR; p10), reverse transcriptase-moleculen (RT; p66/p51) te worden en integrasemoleculen (IN; p32). Zie figuur (PageIndex{9})C en figuur (PageIndex{9})D.

C. Tijdens de rijping worden deze RNA-moleculen ook het genoom van nieuwe HIV-virionen.

Het mRNA van 9 kb kan ook worden gesplitst om een ​​mRNA van 4 kb en een mRNA van 2 kb te vormen.

Het mRNA van 4 kb wordt gebruikt om:

A. Synthetiseren de Env polyproteïnen (gp160). Deze polyproteïnen zullen uiteindelijk worden gesplitst door proteasen om HIV-envelopglycoproteïnen gp120 en gp41 te worden. Zie figuur (PageIndex{9})E en figuur (PageIndex{9})F.

B. Synthetiseren 3 regulerende eiwitten genaamd vif, vpr, en vpu.

Het mRNA van 2 kb wordt gebruikt om 3 regulerende eiwitten te synthetiseren die bekend staan ​​als tat, rev, en naf.

5. Virale assemblage of rijping in de gastheercel en vrijgave uit de gastheercel

Assemblage van HIV-virions begint bij het plasmamembraan van de gastheercel. Rijping vindt plaats tijdens het ontluiken van het virion uit de gastheercel of nadat het uit de cel is vrijgekomen.

  • Transmissie-elektronenmicrofoto van HIV ontluikend uit een T4-lymfocyt; met dank aan Dennis Kunkel's Microscopie.

Voorafgaand aan het ontluiken gaat het Env-polyproteïne (gp160) door het endoplasmatisch reticulum en wordt het getransporteerd naar het Golgi-complex waar het wordt gesplitst door een protease (proteïnase) en verwerkt tot de twee HIV-envelopglycoproteïnen gp41 en gp120. Deze worden getransporteerd naar het plasmamembraan van de gastheercel waar gp41 het gp120 verankert aan het membraan van de geïnfecteerde cel. Zie figuur (PageIndex{10})A, figuur (PageIndex{10})B, figuur (PageIndex{10})C en figuur (PageIndex{10})D.

GIF-animatie die de rijping van gp41 en gp120 laat zien.

De Gag (p55) en Gag-Pol (p160) polyproteïnen associëren ook met het binnenoppervlak van het plasmamembraan samen met het HIV genomische RNA wanneer het vormende virion begint te ontluiken uit de gastheercel.

Tijdens rijping zullen HIV-proteasen (proteïnasen) de resterende polyproteïnen splitsen in individuele functionele HIV-eiwitten en enzymen zoals matrixeiwitten (MA; p17), capside-eiwitten (CA; p24), reverse transcriptase-moleculen (RT; p66/p51), en integrase moleculen (IN; p32).. Zie figuur (PageIndex{10})E, figuur (PageIndex{10})F, figuur (PageIndex{10})G en figuur ( PageIndex{10})H.

A. De Gag-polyproteïnen (p55) zullen worden gesplitst door HIV-proteasen om HIV-matrixeiwitten (MA; p17), capside-eiwitten (CA; p24) en nucleocapside-eiwitten (NC, p7 en p6) te worden.

B. De Gag-Pol-polyproteïnen (p160) zullen worden gesplitst door HIV-proteasen om HIV-matrixeiwitten (MA; p17), capside-eiwitten (CA; p24), proteïnasemoleculen (protease of PR; p10), reverse transcriptase-moleculen (RT; p66) te worden /p51), en integrasemoleculen (IN; p32).

De verschillende structurele componenten worden vervolgens samengevoegd om een ​​volwassen HIV-virion te produceren.

GIF-animatie die de rijping van HIV laat zien.

6. Herinfectie:

Vrije virussen infecteren nu nieuwe gevoelige lichaamscellen. HIV kan ook worden overgedragen door cel-tot-cel contact. Dit kan gebeuren wanneer een geïnfecteerde cel met gp120 op zijn cytoplasmatische membraan zich hecht aan CD4-moleculen en chemokinereceptoren op het oppervlak van een niet-geïnfecteerde cel. De cellen smelten dan samen (zie figuur (PageIndex{11}) en figuur (PageIndex{12})).

Uitstekende animatie die de levenscyclus van HIV samenvat

Met dank aan HHMI's Biointeractive.

YouTube-animatie ter illustratie van de reproductie van HIV.
Met dank aan 3D Medical Animations Library, Dr. Rufus Rajadurai

Oefening: Think-Pair-Share vragen

  1. Geef de rol(len) van gp120 en gp41 in de levenscyclus van hiv.
  2. Waarom infecteert HIV voornamelijk T4-lymfocyten, macrofagen en dendritische cellen?
  3. Hoe helpen antiretrovirale geneesmiddelen die binden aan hiv-gecodeerde protease het aantal hiv in het lichaam te verminderen.
  4. Als men alle geïnfecteerde witte bloedcellen in een met hiv geïnfecteerde persoon zou kunnen vernietigen en vervolgens de cellen zou kunnen reconstitueren door een beenmergtransplantatie te geven van een persoon die homozygoot is voor een deletiemutatie in hun gen dat codeert voor de chemokinereceptor CCR5 (hij of zij kan geen CCR5-moleculen maken), beschrijven hoe dit hiv-infectie kan voorkomen bij de persoon die de transplantatie krijgt.

Medscape-artikel over infecties die verband houden met organismen die in dit leerobject worden genoemd. Registratie om toegang te krijgen tot deze website is gratis.

Samenvatting

  1. Tijdens adsorptie moet een envelopglycoproteïne op het oppervlak van HIV, gp120 genaamd, adsorberen aan zowel een CD4-molecuul als vervolgens aan een chemokinereceptor die alleen op het oppervlak van bepaalde typen van bepaalde menselijke cellen wordt aangetroffen, zoals T4-lymfocyten, monocyten, macrofagen en dendritische cellen .
  2. Na adsorptie zorgt glycoproteïne gp41 ervoor dat de virale envelop kan fuseren met het membraan van de gastheercel, waardoor het nucleocapside van het virus het cytoplasma van de gastheercel binnendringt.
  3. Tijdens het verwijderen van de coating komen de enkelstrengs RNA-genomen in de capside van het virus vrij in het cytoplasma en HIV gebruikt nu het enzym reverse transcriptase om een ​​enkelstrengs DNA-kopie van zijn enkelstrengs RNA-genoom te maken. De reverse transcriptase maakt vervolgens een complementaire DNA-streng om een ​​dubbelstrengs viraal DNA-tussenproduct te vormen.
  4. Een viraal enzym, integrase genaamd, bindt zich vervolgens aan het dubbelstrengs virale DNA-tussenproduct, transporteert het door de poriën van het kernmembraan van de gastheercel en voegt het in een van de chromosomen van de gastheercel in om een ​​provirus te vormen.
  5. Na activering van het provirus worden moleculen van voornamelijk polycistronisch mRNA getranscribeerd van de provirale DNA-streng, gaan door de nucleaire poriën naar het ruwe endoplasmatisch reticulum waar het wordt vertaald door de ribosomen van de gastheercel, structurele hiv-eiwitten, enzymen, glycoproteïnen en regulerende eiwitten.
  6. Polyproteïnen die uit polycistronische mRNA's zijn getranslateerd, moeten door HIV-protease-enzymen in functie-eiwitten worden gesplitst.
  7. De twee HIV-envelopglycoproteïnen gp41 en gp120 worden getransporteerd naar het plasmamembraan van de gastheercel waar gp41 het gp120 verankert aan het membraan van de geïnfecteerde cel. HIV verkrijgt zijn envelop van het plasmamembraan door te ontluiken.
  8. De meeste rijping vindt plaats tijdens het ontluiken van het virion uit de gastheercel of nadat het uit de cel is vrijgekomen.

Vragen

Bestudeer het materiaal in dit gedeelte en schrijf vervolgens de antwoorden op deze vragen op. Klik niet zomaar op de antwoorden en schrijf ze op. Dit zal uw begrip van deze tutorial niet testen.

  1. Beschrijf hoe het retrovirus HIV-1 elk van de volgende stappen tijdens zijn levenscyclus uitvoert. (Neem de volgende sleutelwoorden op in uw beschrijving: gp120, CD4, chemokine-receptoren, gp41, capside, RNA-genoom, reverse transcriptase, dubbelstrengs DNA-tussenproduct, provirus, polyproteïnen, proteasen en ontluikend.)
    1. virale hechting of adsorptie aan de gastheercel (Antwoord)
    2. virale binnenkomst in de gastheercel (Antwoord)
    3. virale verplaatsing naar de plaats van replicatie in de gastheercel en productie van een provirus. (Antwoord)
    4. virale replicatie in de gastheercel (Antwoord)
    5. virale assemblage of rijping in de gastheercel en afgifte uit de gastheercel (Antwoord)
  2. Noem 3 soorten cellen die HIV voornamelijk infecteert en leg kort uit waarom. (Antwoord)
  3. HIV bezit een genoom van RNA. Hoe kan HIV dan in het DNA van gastheercellen inbrengen en een provirus vormen? (Antwoord)
  4. Meerkeuze (Antwoord)