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

GenBank – более 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 – > инфицированных. Эволюционные характеристики: 1. Большая частота мутаций – 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 V3: 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 ВИЧ-1 – патогенный фактор per se

Модель порога антигенного разнообразия до СПИД контролируется иммунной системой не контролируется СПИД порог контролируется иммунной системой

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

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 вспышек, определяемых социальными эпидемиологическими сетями. 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 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

Молекулярная эпидемиология ВИЧ-1 в бывшем СССР: доэпидемический период код пациентагород, страна дата получения образца крови генетический субтип области V3 заражение при гомосексуальных контактах Москва, Россия Вильнюс, Литва ноябрь 1986 сентябрь 1990 декабрь 1991 май 1990 январь 1992 февраль 1992 декабрь 1992 BBBBBBBBBBBBBB заражение при гетеросексуальных контактах Москва, Россия Минск, Беларусь Москва, Россия май 1991 апрель 1991 февраль 1989 февраль январь 1990 май 1990 CCCCCCCCCCCC парентеральное заражение при медицинских манипуляциях Минск, Беларусь Барнаул, Россия Самара, Россия июнь 1990 февраль 1990 январь 1990 AGCAGC

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 генетическим разнообразием циркулирующих вариантов ВИЧ-1 по сравнению с эпидемиями в других странах Европы и США; - большинство случаев инфекций было связано с независимыми заносами ВИЧ-1 из разных эпидемиологических очагов.

Молекулярная эпидемиология ВИЧ-1 в России и СНГ: лавинообразная эпидемия Три вируса: - ВВН-А (субтип А) - ВВН-B (субтип В) - ВВН-А/В (CRF03_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 V3 и gag p17/p24

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 субтип В 2632 | CRF03_AB AAGAGAAAATAAAAGCATTAACAGACATTTGTAAGGAGATGGAAAAGGAAGGAAAAATTTCAAAAATTGGGCCTGAAAATCC образцы из Николаева: субтип B AY A T---A CA--A G AF A T---A CA--A G C AF 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 пациента пол год рожд. вероятное место заражения субтип gag и env A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A М M Ж M M M M M M M M M Ж M M M M Ж M M н.д. Ж н.д Калининград Украина Ст.-Петербург Ст.-Петербург Калининград Ростов-на-Дону Украина Ст.-Петербург Калининград Ст.-Петербург Молдова Ст.-Петербург Ст.-Петербург Украина Светлогорск Ст.-Петербург Украина Ст.-Петербург Калининград ВВН-A ВВН-A/B субтип B ВВН-A ВВН-A env ВВН-A/B ВВН-B env ВВН-A/B

страна всего последовательностей ATT ATAATCGTGGTA Россия Украина Литва Норвегия Нидерланды Италия Греция Великобритания Канада США Таиланд Израиль Эпидемия ВИЧ-1 ВВН-В в бывшем СССР зарубежных эпидемий среди ВВН происхождение мотив IHIGPGR – уникальный триплет АТТ

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 V3) – 0,5-1,0 % в год. 10 лет эпидемии – гетерогенность вирусной популяции – 10-20%. 20 лет – 20-40%? 50 лет – %??? Есть ли предел эволюции/гетерогенности ВИЧ-1?

A B.C D сейчасв будущем ? A, B, C, D Генетическое пространство субтипов ВИЧ-1

Есть ли предел эволюции/гетерогенности ВИЧ-1? Подходы к решению вопроса: 1. Популяционное исследование – перекрестный анализ гетерогенности вирусов в инфицированной популяции. 2. Исследование эволюции одного вируса внутри хозяина – продольный анализ.

A B.C D Генетическое пространство субтипов ВИЧ A, B, C, D. в 1985, 1990, 1995, ый подход в 1985, 1990, 1995, ой подход

Статистика: субтипы 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 А D C Будущее субтипов – популяционные данные Основные субтипы ВИЧ-1

A B C D E адаптация низкая высокая дистанция генетические ниши про-ВИЧ-1 Адаптационный ландшафт субтипов ВИЧ-1

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

V3 синонимичная r=0,33, r 2 =0,11, наклон 0,0044, пересечение с осью Х – 1976, p

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 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