HIV - estrutura, organização genética e ciclo de replicação

(1)

J Miguel Azevedo Pereira

FFUL

HIV - estrutura,

organização genética e ciclo de

replicação

HIV-2ALI; Azevedo-Pereira et al. unpublished results

José Miguel Azevedo Pereira CPM-URIA-FFUL

e-mail: miguel.pereira@ff.ul.pt

(2)

FFUL

Família Retroviridae

Sub-família Género Exemplos de espécies

Alpharetrovirus Avian leukosis virus; Rous sarcoma virus

Betaretrovirus Mouse mammary tumor virus; Mason-Pfizer _{monkey virus} Gammaretrovirus Murine leukemia virus; Feline leukemia virus;

Orthoretrovirinae Deltaretrovirus

Bovine leukemia virus; Human

T-lymphotropic virus 1; Human T-lymphotropic virus 2

Epsilonretrovirus Walleye dermal sarcoma virus

Lentivirus

Human immunodeficiency virus 1; Human immunodeficiency virus 2; Simian

immunodeficiency virus; Bovine immunodeficiency virus; Feline

immunodeficiency virus; Visna/maedi virus

(3)

FFUL

Origem do HIV

•

A SIDA é uma zoonose transmitida do macaco ao Homem (SIV)

•

HIV-1 terá sido transmitido inicialmente por volta de 1930 ± 15

•

HIV-2 terá sido transmitido por volta de 1940 ± 16

•

Podem estar a ocorrer episódios zoonóticos no presente… (Peeters et al. 2002)

(4)

FFUL

• Vírus com invólucro

• Dois tipos: HIV-1 e HIV-2 • Agente causal da SIDA

• Genoma RNA (duas cadeias) • 100 nm de diâmetro

• Nucleocápside cónica

(5)

FFUL

(6)

(7)

FFUL

Proteínas do gene gag

•

Sintetizadas como uma poliproteína precursora que é clivada dando origem às proteínas:

•

Proteína da matriz (MA), localizada entre a cápside e o invólucro viral

•

Proteína da cápside (CA), que forma o “core” viral

•

Proteína da nucleocápside (NC), que se encontra intimamente ligada ao RNA genómico

(8)

FFUL

Proteínas do gene pol

•

Sintetizadas como uma poliproteína precursora (Gag-Pol) que é clivada dando origem às proteínas:

•

Protease (PR)

•

Transcriptase reversa (TR)

(9)

FFUL

Glicoproteínas do gene env

•

O gene env codifica duas glicoproteínas: a glicoproteína de superfície (SU ou gp120) e a glicoproteína transmembranar (TM ou gp41)

•

Sintetizadas sob a forma de uma proteína precursora (gp160) altamente glicosilada que é clivada por acção de uma protease celular

(10)

FFUL

Glicoproteína de superfície (SU)

•

Responsável pela ligação aos receptores celulares (CD4 e receptor das quimiocinas) que culmina com a fusão do vírus com a célula

•

Principal determinante antigénico

•

Elevada variabilidade genética

(11)

FFUL

Glicoproteína transmembranar (TM)

•

Relativamente hidrofóbica, parte da sua molécula está inserida na bicamada lipídica do invólucro viral

•

Está ligada à SU por ligações não covalentes (heterodímeros SU-TM)

•

A sua região N-terminal, externa ao invólucro viral, está aparentemente envolvida na trimerização dos heterodímeros SU-TM

•

Envolvida no processo de fusão vírus-célula (péptido de fusão)

(12)

FFUL

(13)

FFUL

Proteína Tipo Funções

Tat Precoce; 14 KDa; localização _nuclear Activação da transcrição

Rev Precoce; 19 KDa; localização _nuclear Processamento e transporte _{dos mRNA} Nef Precoce; 27 KDa; presente no _{citoplasma e no virião} Degradação do CD4; apoptose; _{estimulação dos Ly T; ↓ MHC I}

Vif Tardia; 23 KDa; presente no _{citoplasma e no virião} Eficiência da retrotranscrição; inibidor da proteína celular Apobec3G

Vpr Tardia; 14 KDa; presente no _{citoplasma e no virião} Entrada do PIC no núcleo; _{bloqueio na fase G2} Vpu Tardia; 16 KDa; aparelho de _{Golgi e RE} Degradação do CD4; aumento _{da libertação de viriões} Vpx Tardia; 12 KDa; só presente no _{HIV-2 e certos SIV} Desconhecida; sinergia com a _Vpr(?)

(14)

FFUL

(15)

Pathogenesis of HIV infection: V i r o l o g i c a s p e c t s J o s é M i g u e l Azevedo Pereira URIA-CPM-FFUL

(16)

www.pfizerpro.com

(17)

The HIV...

J Miguel Azevedo Pereira - URIA

(18)

www.pfizerpro.com

(19)

HIV Env glycoproteins

www.mcld.co.uk/

(20)

Viral determinants for HIV tropism

HIV-1

(21)

The cell...

(22)

www.pfizerpro.com

www.cdc.gov/

(23)

Doms. Top HIV Med, 2004

(24)

Chemokine receptors as

HIV coreceptors

CCR1 CCR2b CCR3 CCR4 CCR5 CCR8 CCR9

CXCR2 CXCR4 CXCR5 CXCR6 CX3CR1

GPR-1 GPR-15 Apj ChemR23 RDC1 BLTR US28 Azevedo-Pereira et al. Curr. HIV Res, 2005

(25)

For HIV-1...

CCR5 (R5) CXCR4 (X4) CCR5 + CXCR4 (R5X4)

(26)

For HIV-2...

CCR5 CXCR4

+

CCR1, CCR2b, CCR3, CCR4, CCR8,

CXCR2, CXCR5, GPR-1, RDC-I

(Bron 1997, Guillon 1998, McKnight 1998)

Infection of target cells in the absence of CD4

(Reeves 1999, Azevedo-Pereira 2003)

Do not use neither CCR5 nor CXCR4

(27)

CD4-independent infection

J Miguel Azevedo Pereira - URIA Reeves and Doms. J Gen Virol 2002

(28)

Consequences of HIV

entry

(29)

Productive cycle vs. abortive cycle

(30)

Productive cycle vs. abortive cycle

Must be activated in a short time frame in order

to integration occurs Full permissive cell

Stevenson. Nat Med 2003

(31)

Consequences of HIV

entry

Cellular receptors engagement by Env

glycoproteins triggers the activation of signal transducing pathways

(32)

Receptor signaling

Not required for receptor function in HIV fusion step

(Amara et al. J Virol 2003)

Directly influence the intracellular viral life cycle after entry

Increasing the activation state of target cells (Davis et al. J Exp Med 1997)

Regulating cell growth and differentiation (Arthos et al. J Virol 2000)

Influencing cell survival - apoptosis (Cicala et al. PNAS 2000)

Inducing modifications in cytoskeletal structure (Sasaki et al. BBRC 2004)

(33)

R5 virus Memory CD4+ T-cells DCs Macrophages X4 virus Naive CD4+ T-cells

(34)

CXCR4 (X4) strains

Increased replication kinetics More cytopathic phenotype

Ability to infect an expanded target cell population repertoire in vivo, including timocytes

In HIV-1, they arise as a consequence of few amino acid changes in V3 region of SU

glycoprotein

(35)

Why X4 viruses only predominate

(...) in late disease stages?

Regoes et al. Trends in Microb 2005

(36)

CCR5 dependence of early

events during transmission

Epithelial cells express mainly CCR5 and not CXCR4 (Meng et al. Nat Med 2002)

Dendritic cells bind R5 virus preferentially (Graneli-Piperno et al. J Virol 1998; Reece et al. J Exp Med 1998)

High-levels of SDF-1α (a CXCR4-blocking

ligand) is expressed by mucosal surfaces (Agace et al. Curr Biol 2000)

(37)

However...

Predominance of R5 virus early in infection is independent of the route of transmission (parenteral=mucosal)

(38)

Replicative advantage of R5 virus Less cytopathic = longer life-span of infected cells And... Or...

Host immune response inhibits more efficiently the replication of X4 virus than R5 variants

(39)

R5 to X4 switch - more constrains...

Regoes et al. Trends in Microb 2005

(40)

and more...

Reg oes et al. T rends in Micr ob 2005

(41)

Selection by target cells Replicative disadvantage Host immune control

Selection of mutants

Viral fitness of intermediates

(42)

HIV-2 pathogenesis

Lower plasma viremia

Lower transmission rates - restricted geographic distribution

Prolonged asymptomatic period

Lower CD4+ T-lymphocyte depletion

(43)

More “relaxed” conformation of HIV-2 Env glycoproteins

Broader

coreceptor usage

CD4-independent infection

Exposure of critical epitopes in coreceptor binding site

Induction of “efficient” neutralizing antibodies

(44)

Broader coreceptor usage

Infection of “inappropriate” cell populations

Replication cycle aborted in some intracellular step

Lower replication - lower plasma viral load

(45)

Inappropriate engagement of cellular receptors

Inefficient signal transduction Inefficient cell

activation Lower apoptosisinduction Lower virus

production Minor CD4 ly depletion

Slower disease progression

(46)

Diagnóstico da infecção

Métodos indirectos ou serológicos: detecção de anticorpos

anti-HIV no soro ou plasma (rastreio e confirmação)

Indivíduo com anticorpos = indivíduo infectado (excepto se a idade for < 18 meses)

Métodos directos:

Detecção das partículas virais (cultura viral) no sangue (CMSP) Detecção de antigénio viral (Ag p24) no soro/plasma

Detecção do DNA proviral nas CMSP

Determinação da carga viral: prognóstico da infecção e

monitorização da terapêutica (plasma)

J Miguel Azevedo Pereira FFUL

(47)

Testes Imunoenzimáticos

Antigénios: Lisado viral total; proteínas recombinantes; péptidos sintéticos

Os mais recentes (4ª geração) incluem Ag do HIV-1 (todos os subtipos; incluindo o subtipo O) e HIV-2 e anticorpo monoclonal para o Ag p24

Requerem confirmação dos resultados positivos (Western-blot)

(48)

Positivo: anticorpos para, pelo

menos, dois dos antigénios

codificados pelo gene env (gp160, gp120, gp41; gp140, gp105, gp36)

Negativo: ausência de anticorpos

para qualquer dos antigénios virais

Indeterminado: anticorpos para os

antigénios virais, excepto os codificados pelo gene env

HIV - estrutura, organização genética e ciclo de replicação

HIV - estrutura,

organização genética e ciclo de

replicação

Família Retroviridae

Origem do HIV

•

•

•

•

Proteínas do gene gag

•

•

•

•

Proteínas do gene pol

•

•

•

Glicoproteínas do gene env

•

•

Glicoproteína de superfície (SU)

•

•

•

Glicoproteína transmembranar (TM)

•

•

•

•

The HIV...

HIV Env glycoproteins

Viral determinants for HIV tropism

The cell...

Chemokine receptors as

HIV coreceptors

For HIV-1...

For HIV-2...

CD4-independent infection

Consequences of HIV

entry

Productive cycle vs. abortive cycle

Productive cycle vs. abortive cycle

Consequences of HIV

entry

Receptor signaling

CXCR4 (X4) strains

Why X4 viruses only predominate

(...) in late disease stages?

CCR5 dependence of early

events during transmission

However...

R5 to X4 switch - more constrains...

and more...

HIV-2 pathogenesis

Diagnóstico da infecção

Critérios de classificação do

WB