«Вірус імунодефіциту людини проникає в плаценту, користуючись білком ендогенного ретровірусу»

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 61

Ріс. 1. Шляхи поширення вірусу імунодефіциту людини через плаценту. Спочатку інфікована клітина (HIV + cell) зливається з однієї з клітин верхнього шару плаценти. Далі можливо кілька варіантів розвитку подій: або ці клітини продовжують зливатися один з одним (cell-to-cell via syncytin), або вони виділяють звичайні частинки ВІЛ (cell-free HIV), які заражають імунні клітини, або частинки ВІЛ, які несуть «білок злиття» синцитин на поверхні (syncytin pseudotyped HIV) можуть цьому і заражати. Зображення з обговорюваної статті в Cell Reports

Найчастіше ВІЛ поширюється між клітинами класичним шляхом, як і всі віруси: відпочковується з однієї клітини-жертви, прикріплюється до поверхні наступної і проникає всередину. Правда, таким способом ВІЛ може вражати тільки імунні клітини, оскільки вони несуть на собі необхідні для прикріплення вірусу рецептори. Але вірус виявляють і в клітинах інших типів — наприклад, у плаценті. Американські вчені запропонували красиве пояснення цьому феномену: ВІЛ може користуватися поверхневими білками інших вірусів, щоб заражати різні клітини. Зокрема, в плаценті він експлуатує білок синцитин, який потрібен для злиття її клітин, а колись дістався приматам від іншого, нині нешкідливого ретровірусу.

Ретровіруси відрізняються від інших вірусів здатністю вбудовувати свій генетичний матеріал у ДНК людини. На матриці РНК вірусу синтезується ДНК і інтегрується в ДНК клітини господаря. Але якщо для деяких з них людський геном служить лише пересадочною станцією (вірус вбудовується, розмножується, «вирізається» і виходить назовні), то для інших він може стати кінцевою. Це відбувається, якщо вірус вбудовується в геном статевої клітини і в результаті мутації втрачає можливість її покинути. Зараз таких застряглих пасажирів (їх називають ендогенними ретровірусами) в наших клітинах близько сотні тисяч, і деякі з них клітини успішно залучили до роботи, «навантаживши» корисними функціями. «Елементи» вже розповідали детально про деякі такі випадки: наприклад, про ретровірусів, які «працюють» у плаценті або регулюють роботу генів у головному мозку та імунній системі (див. посилання наприкінці статті). Але що станеться, якщо вірус, який у клітці «проїздом», зустрінеться з іншим вірусом, який у ній давно влаштувався? Як буде влаштована їх взаємодія, і виграє або програє від цього клітина? Автори недавньої роботи в Cell Reports описали один зі сценаріїв такої зустрічі.

У ролі транзитного пасажира в цій історії виступив вірус імунодефіциту людини. Дослідників цікавили механізми, за допомогою яких він подорожує між клітинами. Найвідоміший (його можна назвати класичним) — позаклітинний: вірус виробляє свої білки за рахунок клітини, одні виставляє на поверхню клітинної мембрани, інші збирає у вірусну частинку, яка потім відмовляється назовні, захоплюючи ділянку мембрани (з вбудованими в неї вірусними білками) з собою в якості оболонки. Далі поверхневі білки прилипають до білків на мембрані нової клітини-мішені (у разі ВІЛ — це рецептори CD4 і CCR5), і вірус або занурюється в мембрану, або зливається з нею, але так чи інакше вміст частинки виявляється всередині.

Однак крім цього шляху ВІЛ освоїв безліч інших (докладніше див. L. Bracq et al., 2018. Mechanisms for cell-to-cell transmission of HIV-1). Для початку він навчився користуватися різноманітними клітинними контактами, які утворюють один з одним клітини-носії CD4 (це в основному Т-хелперні лімфоцити, але також макрофаги і дендритні клітини). Як правило, це різні відростки, якими клітини дотягуються один до одного або обхоплюють один одного (рис. 2, А, В і С). Вірусні частинки подорожують цитоскелетом (див. картинку дня Розфарбований цитоскелет) у далекий кінець відростка і тільки там відмовляються, відразу ж проникаючи в сусідню клітку.

Ріс. 2. Некласичні способи поширення ВІЛ (зелено-червоні кульки) із зараженої клітини (зелена) в нову клітку-мішень (рожева). A — за нанотрубками (мембранними виростами, що з’єднують клітини між собою, див. Tunneling nanotube), B — за відростками клітини-мішені, C — за відростками зараженої клітини, D і Е — за допомогою вірусного та інфекційного синапсу (різновиди імунного), F — через фагоцитоз зараженої клітки, G — сяння. Зображення зі статті L. Bracq et al., 2018. Mechanisms for cell-to-cell transmission of HIV-1

Так само ВІЛ користується імунними синапсами — контактами, які утворюють між собою клітини імунної системи (детальніше про них див. у новині В імунній системі людини знайдено аналог хімічного синапсу, «Елементи», 03.08.2017). Для того, щоб передати, наприклад, активаційний сигнал, клітини з’єднуються поверхневими білками. Між їхніми мембранами утворюється вузька щілина, куди виходять вірусні частинки і відразу ж атакують жертву (рис. 2, D і Е). Всі ці стратегії передачі володіють трьома перевагами порівняно зі звичайним позаклітинним шляхом. По-перше, вони точно націлюють вірус на нову клітку-жертву. По-друге, вони підвищують концентрацію вірусних частинок в точці контакту між клітинами, тим самим підвищуючи і шанси на зараження мішені. По-третє, вони роблять вірус практично невразливим для ліків на основі антитіл, які могли б його нейтралізувати. У мікроскопічну щілину між двома імунними клітинами антитіла навряд чи проберуться за той час, який необхідно, щоб зупинити поширення вірусу.

Всі перелічені вище варіанти передачі ВІЛ між клітинами — це просто різновиди класичного позаклітинного шляху. Однак цей вірус вміє пересуватися й іншими стежками. Наприклад, він може заразити макрофаг, який фагоцитує інфіковану клітку (рис. 2, F). А може і зовсім змусити клітини злитися один з одним (рис. 2, G) — і таким чином перейде з однієї цитоплазми в іншу, не перетинаючи ніяких мембран. У разі імунних клітин це працює так: на поверхні інфікованої клітини з’являються білки оболонки ВІЛ, з їх допомогою клітина прилипає до нової мішені, і їх мембрани зливаються.

У всіх цих випадках ВІЛ передається тільки між імунними клітинами, на поверхні яких є рецептор CD4. Тим не менш, іноді сліди вірусу (ДНК і РНК) виявляють і в інших клітинах, які не несуть CD4 — наприклад, у клітинах головного мозку або плаценти. Сам по собі ВІЛ проникнути в них не може, але відомий один механізм, за допомогою якого він «обманює систему». Це псевдотипування (див. Y. Tang et al., 2014. Infection of female primary lower genital tract epithelial cells after natural pseudotyping of HIV-1: possible implications for sexual transmission of HIV-1). Працює це в тому випадку, коли ВІЛ заражає клітку спільно з якимось іншим вірусом — наприклад, вірусом везикулярного стоматиту (це легко може статися в організмі хворої на СНІД людини з пригніченою імунною відповіддю на віруси). При цьому на поверхні інфікованої клітини з’являються білки оболонки іншого вірусу, і коли частинки ВІЛ відмовляються, то підхоплюють чужі поверхневі білки. Так вірус набуває здатності заражати невластиву йому мішень — наприклад, у разі везикулярного стоматиту це клітини епітелію.

Автори обговорюваної статті припустили, що подібне псевдотипування має місце і в плаценті. Справа в тому, що зовнішній шар плаценти, який найближче знаходиться до материнських тканин, складається з клітин — синциття (точніше, синцитіотрофобласту). Така конструкція дозволяє краще захищати ембріон від агресивних речовин або клітин з материнської крові, оскільки крізь гігантську багатоядерну клітку пройти складніше, ніж просочитися між окремими клітинами. Злиттям клітин трофобласту керують білки синцитини: синцитин-1 і синцитин-2. А вони, в свою чергу, дісталися приматам від ретровірусу, який «застряг» в їхньому геномі понад 25 мільйонів років тому. За природою своєї синцитини — це вірусні білки оболонки, «одомашнені» плацентою приматів. Тому дослідники припустили, що ВІЛ може користуватися і цими білками, щоб викликати злиття зараженої клітини з сусідами і таким чином поширюватися по плаценті.

Як зразки автори роботи використовували три плаценти, отримані у ВІЛ-позитивних жінок після пологів. Всі три пацієнтки приймали антиретровірусну терапію, і вірус в їх крові практично не виявлявся. Тим не менш, у всіх трьох плацентах дослідники розгледіли вірусну РНК: у двох зразках — менше 10 на 1000 клітинних ядер, а в одному — цілих 114 міток на 1000 ядер. Приблизно в 80% випадків, за їх підрахунками, вірус заразив клітини трофобласту, а в решті 20% — інші типи клітин плаценти. Точно так само і ДНК вірусу (точніше, ДНК-прообраз вірусної РНК) виявився не тільки в синцитіотрофобласті, але і у внутрішніх (по відношенню до зародка) шарах трофобласту. Це означає, що ВІЛ все-таки зміг подолати плацентарний бар’єр.

Ріс. 3. Сліди ВІЛ у плаценті. На всіх фотографіях вірусна РНК пофарбована в червоний. Клітинні ядра фіолетові (зверху) або сині (знизу). Зображення з обговорюваної статті в Cell Reports

На наступному етапі потрібно було перевірити, як вірус міг перший раз потрапити в клітини плаценти. Автори роботи припустили, що синцитин дозволяє зараженим Т-клітинам зливатися з клітинами трофобласту. Вони спробували відтворити ці події на модельних клітинах. Як інфікований донор вони використовували клітини Юркат (див. Jurkat cells) — це культура Т-клітинної лімфоми — і не тільки заразили їх ВІЛ, а й змусили експресувати синцитин. Реципієнтом вірусу стали клітини TANI — це лінія HeLa, яка при зараженні ВІЛ починає виробляти зелений флуоресцентний білок. Крім того, на поверхні HeLa багато рецепторів до синцитину (ASCT2), що робить їх готовою мішенню для злиття. Виявилося, що за кілька днів спільного життя в культурі клітини Юркат і TANI дійсно багаторазово зливаються і утворюють гігантські багатоядерні клітини, природно, ВІЛ-позитивні. Якщо ж клітини-донори були позбавлені синцитину, то ніякого злиття і, отже, зараження не відбувалося.

Ріс. 4. В — динаміка злиття клітин і поширення ВІЛ. З — заражені клітини в культурі з Т-лімфоцитами, що експресують синцитин. D — відсутність зараження в культурі з Т-лімфоцитами без синцитину. Зображення з обговорюваної статті в Cell Reports

Слідом за тим автори роботи перевірили, чи може зараження відбуватися більш класичним шляхом, через псевдотиповані вірусні частинки з синцитином на поверхні? Вони зібрали частинки ВІЛ з середовища культивування клітин Юркат і обробили ними культуру TANI. Зараження дійсно відбулося, проте далеко не у всіх клітинах. З цього дослідники зробили висновок, що такий шлях поширення ВІЛ теж можливий, але злиття клітин зустрічається частіше.

Свій експеримент вони повторили на культурі клітин трофобласту, які експресують синцитин. Їх теж «поселили» разом з інфікованими Т-клітинами, на поверхні яких є рецептор синцитину, і через кілька днів у трофобласті виявили вірусну РНК. Процес поширення вірусу вдалося зупинити, застосувавши білок-інгібітор синцитину: в його присутності кількість заражених клітин знизилася на 80%. Допомогла також антиретровірусна терапія: під дією препаратів вірус заразив утричі менше клітин. Проте, остаточно «видавити» вірус з трофобласту це не допомогло.

Ріс. 5. Н — зараження клітин ВІЛ за відсутності (ліворуч) і присутність (праворуч) антиретровірусного препарату. I — кількість клітин трофобласту, заражених двома типами ВІЛ в контролі і під дією антиретровірусної терапії. Зображення з обговорюваної статті в Cell Reports

Таким чином, дослідники вибудували ланцюг поширення ВІЛ в організмі вагітної жінки. Спочатку вірус інфікує Т-лімфоцити. Вони досягають зовнішніх шарів плаценти, а оскільки імунні клітини експресують білок, з яким зв’язується синцитин, а на клітинах трофобласту багато синцитину, відбувається злиття. Так ВІЛ потрапляє всередину плаценти. Далі він може поширюватися всередині синцитію в міру того, як до нього приєднуються нові клітини. Або може відмовлятися від синцитіотрофобласту, захоплюючи на свою поверхню синцитин — і завдяки цьому може вражати інші клітини плаценти.

На останньому етапі роботи вчені підтвердили, що це властиво реальним вірусним частинкам з організму жінок, які брали участь в експерименті. Для цього отримані від них плаценти обробили реагентами (це антибіотик іономіцин і ПМА, агоніст протеінкінази С), які дозволяють реактивувати «сплячий» у клітинах ВІЛ. Потім ділянки плаценти культивували разом з клітинами TANI (тими, що світяться зеленим при зараженні) — і через 5 днів виявили світіння як в окремих клітинах, так і в синцитіях.

Вимальовується красива картина відносин між двома ретровірусами: старим, «немічним», що застряг навіки в геномі людини ендогенним ретровірусом і молодим, перспективним, що рветься в бій вірусом імунодефіциту людини. Нехай старий вірус вже втратив хватку і давно служить вірою і правдою тому господарю, якого він повинен був використовувати як платформу для розмноження, але він ще здатний допомогти молодому побратиму підкорити нові вершини. І ось старий вірус жертвує свій білок синцитин, за допомогою якого молодий отримує можливість захоплювати нові, не характерні для нього клітини.

Втім, особливого успіху ВІЛ не досягає навіть з чужою допомогою. Як би він не ховався від імунної системи, які б резервуари не утворював у клітинах плаценти, антиретровірусна терапія наздоганяє його і там. Принаймні, діти всіх трьох пацієнток, які брали участь у цьому дослідженні, народилися здоровими і ВІЛ-негативними. А значить, альтернативні способи поширення не збільшують шанси ВІЛ на передачу у спадок, і їх варто розглядати швидше як приклад взаємодопомоги зі світу вірусів.

Джерело: Y. Tang, B. O. Woodward, L. Pastor, A. M. George, O. Petrechko, F. J. Nouvet, D. W. Haas, G. Jiang, J. E. K. Hildreth. Endogenous retroviral envelope syncytin induces HIV-1 spreading and establishes HIV reservoirs in placenta // Cell Reports. 2020. DOI: 10.1016/j.celrep.2020.03.016.

Див. також:

1) Предки людини запозичували корисні гени у вірусів, «Елементи», 22.10.2008.

2) Вірус, що вбудувався в геном наших предків, впливає на роботу мозку, «Елементи», 19.11.2013.

3) Регуляторні елементи вірусного походження допомагають роботі нашого імунітету, «Елементи», 15.03.2016.

Поліна Лосєва