HIV統合
HIVウイルス粒子

AIDS（後天性免疫不全症候群）は、ヒト免疫不全ウイルス（HIV）によって引き起こされます。HIVに感染した人は、「HIV感染症」と呼ばれる状態になります。感染した精液、膣分泌物、または血液が、感染していない人の粘膜や傷ついた皮膚に接触すると、HIVが感染していない人に感染し（「水平感染」）、新たな感染を引き起こす可能性があります。さらに、HIVは妊娠中または出産時に感染した妊婦から未感染の胎児に感染する（「垂直感染」）、あるいは授乳を介して感染することもあります。HIV感染の結果、これらの人の一部は病状が進行し、臨床的に重篤なAIDSを発症します。

HIVはレトロウイルスであり、宿主細胞に感染するとRNAゲノムのDNAコピーを作成する、大規模かつ多様なRNAウイルスファミリーを構成します。HIV -1やその他のレトロウイルスの複製サイクルにおける重要なステップは、このウイルスDNAを宿主DNAに組み込むことです。組み込まれたウイルスDNAが転写されると、子孫ウイルス粒子のRNAゲノムとウイルスタンパク質の翻訳のための鋳型が生成されます。

背景情報: HIV-1インテグラーゼ

HIV-1インテグラーゼの構造ドメイン

HIV DNAの宿主DNAへの組み込みは、HIVライフサイクルにおける重要なステップです。この組み込みプロセスを理解することで、HIV感染症およびエイズに対する治療介入の潜在的な複数の部位に関する知見を得るための枠組みが得られます。HIVゲノムのDNA版を宿主細胞のDNAに挿入するHIV酵素は、「インテグラーゼ」と呼ばれます。HIV-1インテグラーゼは、宿主DNAを切り取り、切り取った末端にプロウイルスゲノムを結合させる「カットアンドペースト」作用を触媒します。このタンパク質は288アミノ酸から成り、以下の順序で3つの「ドメイン」で構成されています。

1.アミノ（N）末端ドメイン：「ジンクフィンガー」とも呼ばれるN末端ドメインは、保存されたHHCC、His、およびCys残基から構成され、亜鉛との結合に関与するモチーフです。N末端ドメインの機能は完全には解明されていませんが、インテグラーゼが多量体（複数のインテグラーゼ分子が固定された凝集体）を形成するのを助けると考えられています。

2.中心触媒ドメイン（または「触媒コア」）：触媒コアは、二価金属（通常はMg 2+またはMn 2-）との結合を司るアミノ酸または酸残基からなるDDE触媒三元構造を包含し、活性触媒部位を形成します。HIV-1インテグラーゼの場合、これらの残基はAsp64、Asp116、およびGlu152です。このドメインも進化の過程でよく保存されています。

HIV-1 触媒ドメインは、溶液中および結晶構造において二量体として現れる。二量体界面の広大な表面積は、それが生物学的に重要であることを示している。標的 DNA の各鎖上の挿入部位は 5塩基対離れており、これはらせん状 B 型 DNA の約 15 Å に平行であり、インテグラーゼの触媒ドメイン (または機能単位) には、同様の間隔で分離された一対の活性部位が含まれるはずであることを示唆している。ただし、実質的に球形の二量体における活性部位間の間隔は、標的 DNA の 2 本の鎖上の挿入部位間の間隔とあまり一致していないようで、結晶構造の検査から、二量体中の活性部位は、タンパク質を通る直線で測った場合 30 Å 以上離れており、二量体の円周に沿って測った場合はさらに大きな距離離れていることが明らかになっている。機能的なインテグラーゼ多量体において二量体界面が保持されているという仮定の下では、完全な統合反応を進行させるためには少なくともインテグラーゼの四量体が必要である。

3.カルボキシ（C）末端ドメイン： C末端ドメインはDNAに非特異的に結合します。標的DNAへの組み込み部位は比較的非特異的であるため、このドメインは標的DNAと何らかの形で連携すると考えられます。キメラインテグラーゼを用いた実験から得られた情報は、標的部位の認識がコアドメインによって制御されていることを示しています。また、架橋研究では、C末端ドメインがウイルスDNAの最末端付近のサブ末端領域と連携して機能することが示唆されています。

HIVインテグラーゼ結合ドメイン

組み込み過程において、HIVインテグラーゼ酵素は2つの重要な触媒反応を行います。まずHIV DNAの3'末端プロセシング、続いてHIV DNAの宿主DNAへの鎖転移です。HIV DNAの組み込みは分裂細胞でも休止細胞でも起こり得ますが、HIVインテグラーゼ酵素は単量体、二量体、四量体、さらには八量体などの高次構造で存在する可能性があります。各HIV粒子には、推定40～100個のインテグラーゼ酵素が含まれています。

インテグラーゼの機能はレトロウイルスに特有であり、ヒト細胞はDNA断片を切り貼りしてゲノムに組み込む必要はありません。そのため、インテグラーゼ阻害剤は、HIV感染症やエイズの治療薬開発における主要なターゲットです。インテグラーゼを阻害してもヒト細胞の正常な機能は阻害されないからです。

HIV統合メカニズム

HIVゲノム統合

HIVの統合とは、HIVの遺伝物質が感染細胞のゲノムに挿入されることです。[ 1 ] HIVの統合のプロセスには、6つの段階があります。

HIVインテグラーゼのHIV DNAへの結合

統合プロセスの最初のステップは、HIV RNAからc-DNAへの逆転写が完了した後、宿主細胞の細胞質内で起こる。このステップでは、新しく形成されたHIV c-DNAの両端に、おそらくは二量体であるインテグラーゼが結合する。この結合は、長い末端反復配列領域の特定の配列で起こる。インテグラーゼ-HIV DNA複合体は、「統合前複合体」（PIC）として知られる細胞内核タンパク質粒子の一部である。この複合体は、線状HIV DNA、ウイルスタンパク質、および宿主タンパク質からなる。ウイルスタンパク質には、インテグラーゼ、ヌクレオカプシド、マトリックス、ウイルスタンパク質R（Vpr）、および逆転写酵素が含まれる。いくつかの宿主タンパク質もこの複合体の一部を形成する可能性があるが、核輸送前に統合前複合体に結合するタンパク質の一部またはすべてが不明である。

HIV DNA 3'末端の処理

ウイルスDNAの組み込み過程の第2段階（これも宿主細胞質内で起こる）では、インテグラーゼ二量体がウイルスDNAの3'末端を切断する。この切断反応により、保存されたCAジヌクレオチド領域の3'側にあるGTジヌクレオチドが除去される。ウイルスDNAの3'末端におけるジヌクレオチドの切断により、ジヌクレオチド5'「オーバーハング」と、3'-ヒドロキシル基を含む反応性中間体が生じる。この3'末端処理段階は、インテグラーゼ酵素によって行われる2つの重要な触媒反応のうち最初の段階であり、ウイルスDNAを宿主DNAへの組み込みに向けて準備する。DNA結合と3'末端処理反応の別の見方では、インテグラーゼの四量体（二量体ではない）がHIV DNAの末端に結合し、3'末端を切断する。

HIVインテグラーゼの宿主細胞核への移行（核移行）

統合プロセスの第 3 段階では、統合前複合体が核膜孔複合体の 1 つを通過して宿主細胞の核に輸送されます。

宿主DNAへのプレインテグレーション複合体の結合

核内では、宿主タンパク質である水晶体上皮由来増殖因子/p75（一般的にはLEDGF /p75と略される）が、前統合複合体と宿主DNAに結合します。LEDGF/p75は、前統合複合体と宿主DNA間の繋留タンパク質（または橋渡し）として機能します。LEDGF/p75、宿主DNA、前統合複合体の結合順序は不明です。ある説では、LEDGF/p75はまず前統合複合体に結合し、次に宿主DNAに結合します。一方、LEDGF/p75はまず宿主DNAに結合し、次に前統合複合体に結合する可能性があります。順序に関わらず、LEDGF/p75の存在により、インテグラーゼ二量体が互いに接近して四量体を形成すると考えられています。

HIV DNAの宿主DNAへの転移（鎖転移）

次のステップである鎖転移反応は、宿主細胞の核内で起こり、HIV DNAを宿主DNAの選択された領域に挿入するという重要なステップを伴います。挿入領域には、弱く保存された回文配列が含まれています。この鎖転移反応は、HIVインテグラーゼがHIV DNA 3'-ヒドロキシル基による宿主DNAへの攻撃を触媒することで開始されます。HIV DNAによる攻撃は、宿主DNAの反対側の鎖に対して、通常4～6塩基対離れた、交互に発生します。この反応により、交互に切断された部分の間に位置する宿主DNA塩基対の結合が切断され、HIV 3'-ヒドロキシル基が宿主DNAの5'リン酸末端と結合します。この時点で、新たに結合したウイルスと宿主DNAの領域が展開されます。

鎖移動プロセスで形成されたギャップの修復（「ギャップ修復」）

HIVウイルス粒子
逆転写

鎖転移過程の後、HIV-DNAと宿主DNAの接合部には、DNA「ギャップ」と呼ばれる不対合DNA領域が存在します。さらに、ウイルスDNAの5'末端にある2つの塩基対は、鎖転移後も不対合のままです。新しいHIV DNAの挿入と、組み込み部位を挟む残りのギャップが、宿主細胞のDNA損傷応答を誘導すると考えられていますが、このメカニズムの多くは依然として推測の域を出ません。宿主DNA損傷応答は、組み込みの最終段階である「ギャップ修復」において極めて重要であり、少なくとも3つの宿主酵素（ポリメラーゼ、ヌクレアーゼ、リガーゼ）を必要とすると考えられています。ギャップ修復の最初の段階では、ポリメラーゼ酵素が宿主DNAの両端を伸長させ、ギャップを埋めると考えられています。次に、宿主ヌクレアーゼ活性がHIV DNAの5'末端にあるジヌクレオチド「フラップ」を除去する可能性があります。最後に、DNAリガーゼ酵素が、HIVと宿主DNA鎖の残りの未結合部分を結合すると考えられています。現在、このメカニズムは実験的にほぼ検証されており、現在も研究が進められています。このギャップ修復プロセスにより、HIV DNAは宿主DNAへの組み込みが完了し、完全に組み込まれたHIV DNAは現在「プロウイルスDNA」と呼ばれています。

HIV-1におけるスプライシングの役割

最近の研究では、HIV-1は高度にスプライシングされた遺伝子やより多くのイントロンを持つ遺伝子への統合を好むことが示唆されている。[ 2 ]この選好は、多くのスプライシング因子と相互作用する宿主クロマチン結合タンパク質LEDGF/p75に依存する。[ 2 ]別の研究では、HIV-1が高度にスプライシングされた遺伝子を好むのは、別の宿主因子であるポリアデニル化因子CPSF6に依存することが示された。[ 3 ]イントロンの数が多い癌遺伝子は、HIV-1の標的になりやすい。[ 2 ]

参考文献

  1. ^ Smith JA, Nunnari G, Preuss M, Pomerantz RJ, Daniel R (2007). 「ペントキシフィリンはHIV-1ベースのベクターによる形質導入を抑制する」. Intervirology . 50 (5): 377–86 . doi : 10.1159 / 000109752 . PMID  17938572. S2CID  34357038 .
  2. ^ a b c Singh, Parmit Kumar; Plumb R., Matthew; Ferris, Andrea L.; I​​ben, James R.; Wu, Xiaolin; Fadel, Hind J.; Luke, Brian T.; Esnault, Caroline; Poeschla, Eric M. (2015). 「LEDGF/p75はmRNAスプライシング因子と相互作用し、高度にスプライシングされた遺伝子へのHIV-1の組み込みを標的とする」 . Genes Dev . 29 (21): 2287–97 . doi : 10.1101/gad.267609.115 . PMC 4647561. PMID 26545813 .  
  3. ^ Sowd GA, Serrao E, Wang H, Wang W, Fadel HJ, Poeschla EM他 (2016). 「HIV-1の転写活性クロマチンへの統合における代替ポリアデニル化因子CPSF6の重要な役割」 Proc Natl Acad Sci USA . 113 (8): E1054–63. Bibcode : 2016PNAS..113E1054S . doi : 10.1073/pnas.1524213113 . PMC 4776470 . PMID 26858452 .  

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