Аденоассоциированный вирус (, AAV) — малый вирус, инфицирующий клетки человека и некоторых других приматов. Аденоассоциированный вирус, по-видимому, не вызывает заболевания у человека и, соответственно, вызывает слабый иммунный ответ.
Аденоассоциированный вирус может инфицировать делящиеся и неделящиеся клетки и может встраивать свой геном в геном хозяина. Эти особенности делают AAV особенно привлекательным кандидатом для создания вирусных векторов для генной терапии.
Аденоассоциированный вирус принадлежит к роду Dependoparvovirus семейства парвовирусов (Parvoviridae). Вирус имеет небольшие размеры (20 нм), не имеет липидной оболочки и не кодирует собственных ферментов репликации.
История В 1965 году Роберт Атчисон опубликовал статью, в которой был описан новый вирус, названный аденоассоциированным вирусом. Вирусные частицы были обнаружены при помощи электронной микроскопии в препаратах аденовируса обезьян, которые были несколько раз пересажены на первичных культурах клеток почки макаки резус. Группой Атчисона частицы нового вируса диаметром 24 нм были отделены от более крупных частиц аденовируса диаметром 80 нм при помощи ультрафильтрации.
После выделения было показано, что частично очищенные вирионы аденоассоциированного вируса не могут самостоятельно реплицироваться, однако могут реплицироваться и распространяться в культурах, заражённых аденовирусом. Таким образом, аденоассоциированный вирус оказался дефектным вирусом-спутником, нуждающимся во вспомогательном вирусе для полноценной репликации. Так как аденоассоциированной вирус не кодирует собственной ДНК-полимеразы, для размножения ему требуется вспомогательный вирус, как правило, аденовирус.
В июле 2013 года в результате ревизии семейства 4 близких вида объединили в один, сменив название рода на Dependoparvovirus, а вида — на Adeno-associated dependoparvovirus A.
Вектор для генной терапии
Преимущества и недостатки Аденоассоциированный вирус дикого типа имеет некоторые преимущества для генной терапии. Одним из основных преимуществ является то, что этот вирус не является патогенным. Аденоассоциированный вирус может инфицировать неделящиеся клетки и может встраиваться в геном хозяина по специфическим участкам (AAVS1) девятнадцатой хромосомы.
Данная особенность делает аденоассоциированный вирус более предсказуемым, чем ретровирусы. Ретровирусы являются потенциально опасными как мутагены, так как встраиваются в геном хозяина случайным образом, что может привести к возникновению раковых опухолей. Геном аденоассоциированного вируса обычно встраивается по специфическому сайту, а случайные встраивания происходят с ничтожной частотой. При создании векторов для генной терапии на основе аденоассоциированного вируса из ДНК вируса удаляют гены rep и cap. Нужный ген вместе с промотором встраивают между инвертированными концевыми повторами (), в результате чего в ядре после синтеза клеточной ДНК-полимеразой второй цепочки ДНК образуются конкатемеры. Векторы для генной терапии на основе аденоассоциированных вирусов образуют эписомальные конкатемеры в ядре клетки хозяина. В неделящихся клетках данные конкатамеры остаются интактными, в делящихся клетках ДНК аденоассоциированного вируса теряется при делениях клетки, так как эписомальная ДНК не реплицируется при репликации ДНК клетки хозяина. Случайное встраивание ДНК аденоассоциированного вируса в геном хозяина происходит весьма редко. Аденоассоциированный вирус также обладает очень низкой иммуногенностью, по-видимому, ограниченной низкой эффективностью образования нейтрализующих антител, в то время как для последних чётко не показана цитотоксичность. Описанные особенности, а также возможность заражать неделящиеся клетки, обуславливает преимущества аденоассоциированного вируса над аденовирусами для генной терапии.
Использование аденоассоциированного вируса имеет также и некоторые недостатки. Ёмкость генома вируса, доступная для клонирования терапевтических генов, составляет всего около 4800 пар нуклеотидов. Таким образом, данный вектор не подходит для клонирования крупных генов. Инвертированные концевые повторы двух геномов могут гибридизоваться и образовывать конкатемеры голова-хвост, практически удваивая ёмкость вектора.
Инфекция вирусом дикого типа часто вызывает активацию гуморального иммунитета. Активность нейтрализующих антител в некоторых случаях снижает применимость серотипа AAV2. AAV2 может проникать и в мозг и является строго специфичным к нейронам.
Клинические испытания В настоящий момент препараты (векторы) на основе аденоассоциированного вируса для лечения муковисцидоза и гемофилии проходят первый этап клинических испытаний. Многообещающие результаты были получены после первой фазы клинических испытаний препаратов против болезни Паркинсона. По результатам других клинических испытаний показана безопасность векторов на основе аденоассоциированного вируса при болезни Канавана, мышечной дистрофии и при синдроме Бильшовского-Янского.
+Клинические испытания векторов на основе аденоассоциированного вирусного вектораЗаболеваниеГенСпособ введенияФаза испытанийКоличество испытуемыхСтатусМуковисцидозCFTRЛегкие, аэрозольI12ЗавершеныCFTRЛегкие, аэрозольII38ЗавершеныCFTRЛегкие, аэрозольII100ЗавершеныГемофилия BFIXВнутримышеченоI9ЗавершеныFIXПеченочная артерияI6ЗавершеныАртритTNFR:FcВнутрисуставноI1ПродолжаютсяНаследственная эмфиземаAATВнутримышеченоI12ПродолжаютсяМышечная дистрофияСаркогликанВнутримышеченоI10ПродолжаютсяБолезнь ПаркинсонаGAD65, GAD67Внутрь черепаI12ЗавершеныБолезнь КанаванаAACВнутрь черепаI21ПродолжаютсяБолезнь БаттенаCLN2Внутрь черепаI10ПродолжаютсяСиндром АльцгеймераNGFВнутрь черепаI6Продолжаются Спинальная мышечная атрофия SMN1 интратекально I–III 15 Несколько испытаний завершено, несколько продолжается (Zolgensma)
Клинические испытания для лечения рака простаты находятся на 2005 год в третьей стадии, однако, эти исследования ex vivo не включают прямого назначения аденоассоциированного вируса пациентам.
Патология Считается, что аденоассоциированный вирус не вызывает заболеваний человека. Однако показано, что данный вирус является фактором риска развития мужского бесплодия. Геномную ДНК аденоассоциированных вирусов обнаруживают в образцах спермы с нарушениями структуры и функции сперматозоидов. Однако, не выявлено прямой связи между данной инфекцией и мужским бесплодием.
Роль в развитии гепатоцеллюлярной карциномы По результатам недавних исследований больных с редкими формами гепатоцеллюлярной карциномы, высказывается предположение, что вирус AAV2 может играть роль в пусковых механизмах развития этого вида рака. Поскольку мишенью вируса AAV2 являются гены, играющие важную роль в размножении клеток, исследователи полагают, что инфицирование приводит к их чрезмерной активации, в результате чего запускается опухолевый рост. Это открытие ставит под сомнение безопасность использования вирусов AAV2 для генной терапии.
Структура
Геном, транскриптом и протеом Геном аденоассоциированного вируса содержит (+ или -) одноцепочечную ДНК (ssDNA) длиной около 4,7 тысяч нуклеотидов. На концах молекулы геномной ДНК располагаются инвертированные концевые повторы (). Геном содержит две открытые рамки считывания (): rep и cap. Первая содержит четыре перекрывающихся гена, кодирующих белки Rep, которые необходимы для жизненного цикла вируса, вторая рамка считывания содержит перекрывающиеся нуклеотидные последовательности белков капсида: VP1, VP2 и VP3, которые формируют икосаэдрическую головку капсида.
Инвертированные концевые повторы Последовательность инвертированных концевых повторов () составляет 145 нуклеотидов. ITR располагаются симметрично в геноме аденоассоциированных вирусов и необходимы для репликации геномной ДНК. Другим из свойств ITR является способность образовывать шпильки, что обеспечивает возможность синтеза второй цепочки ДНК без участия праймазы. Инвертированные концевые повторы также требуются для интеграции ДНК вируса в специфический участок девятнадцатой хромосомы человека и для освобождения ДНК провируса из хромосомы, а также для образования комплексов ДНК аденоассоциированного вируса с белками оболочки, устойчивых к действию дезоксирибонуклеазы.
В случае генной терапии в цис-положении после терапевтического гена должен находиться ITR. Эту закономерность используют при получении рекомбинантных векторов на основе аденоассоциированного вируса (), содержащих репортёрные или терапевтические гены. Показано, что ITR не требуются в цис-положении для осуществления репликации и укладки в капсид. В составе последовательности нуклеотидов гена rep обнаружен Rep-зависимый элемент, действующий в cis-положении (). В цис-положении CARE усиливает репликацию и сборку вирусных частиц.
Гены и белки rep «Левая сторона генома» содержит два промотора — p5 и p19, с которых транскрибируются две перекрывающихся мРНК различной длины. Каждый ген, кодирующий соответствующую мРНК содержит интрон, который может быть вырезан в процессе сплайсинга. В результате этого могут синтезироваться четыре различных мРНК, и, соответственно, четыре различных белка Rep с перекрывающимися последовательностями. Белки названы в соответствии с их молекулярными массами в кДа: Rep78, Rep68, Rep52 и Rep40. Rep78 и 68 специфически связывают в качестве праймера шпильку, которую образуют инвертированные концевые повторы и затем разрезают её по сайту концевого разрешения (). Было показано, что Rep78 и 68 необходимы для специфической интеграции ДНК аденоассоциированного вируса в геном хозяина. Четыре белка Rep связывают АТР и обладают хеликазной активностью. Данные белки усиливают транскрипцию с промотора p40, но ослабляют транскрипцию с промоторов p5 и p19.
Гены cap и белки VP «Правая часть» (+)-цепи геномной ДНК аденоассоциированного вируса содержит перекрывающиеся последовательности, кодирующие три белка капсида — VP1, VP2 и VP3. Транскрипция этих генов начинается с одного промотора, p40. Молекулярная масса соответствующих белков составляет 87, 72 и 62 кДа, соответственно. Все три белка транслируются с одной мРНК. После транскрипции пре-мРНК может подвергаться сплайсингу двумя разными способами, при этом вырезается более длинный или более короткий интрон и образуются мРНК длиной 2300 или 2600 нуклеотидов. Обычно, особенно в присутствии аденовируса, вырезается более длинный интрон. В такой форме вырезается первый стартовый кодон AUG, с которого начинается синтез белка VP1, и уровень синтеза белка VP1 снижается. Первый кодон AUG, который остаётся в случае более длинного транскрипта, является стартовым кодоном для белка VP3. Однако, последовательность нуклеотидов, предшествующая этому кодону в пределах той же рамки считывания, содержит последовательность ACG, кодирующую треонин, которая окружена оптимальной последовательностью Козак . Это приводит к снижению синтеза белка VP2 (который представляет собой белок VP3 с дополнительными остатками аминокислот на N-конце.
Так как больший интрон предпочтительно вырезается из пре-мРНК и так как кодон ACG является более слабым стартовым кодоном, соответствующие белки in vivo экспрессируются в соотношении примерно 1:1:20, в таком же соотношении белки входят и в состав вирусной частицы. Уникальный фрагмент на N-конце белка VP1 имеют активность фосфолипазы А2 (), которая, вероятно, требуется для освобождения вирусных частиц из поздних эндосом. Муралидар с соавторами показали, что белки VP2 и VP3 крайне необходимы для сборки вирусной частицы. Уоррингтон с соавторами показали, что белок VP2 не является строго необходимым для сборки вирусной частицы, а также не влияет на патогенные свойства вируса. Однако, на функционирование белка VP2 не влияют значительные встройки в N-концевую часть, в то время как встройки в VP1 снижают его фосфолипазную активность.
Кристаллическая структура белка VP3 в 2002 году была определена исследователями Кси и Бью с соавторами.
Серотипы и рецепторы