Estructura y genoma del VIH

El genoma y las proteínas del VIH (virus de la inmunodeficiencia humana) han sido objeto de una extensa investigación desde el descubrimiento del virus en 1983. ^{[ 1 ] [ 2 ]} "En la búsqueda del agente causal, inicialmente se creyó que el virus era una forma del virus de la leucemia de células T humanas (HTLV), que en ese momento se sabía que afectaba al sistema inmunitario humano y causaba ciertas leucemias. Sin embargo, investigadores del Instituto Pasteur de París aislaron un retrovirus previamente desconocido y genéticamente distinto en pacientes con SIDA, que posteriormente fue denominado VIH." ^{[ 3 ]} Cada virión consta de una envoltura viral y una matriz asociada que encierra una cápside , la cual a su vez encierra dos copias del genoma de ARN monocatenario y varias enzimas . El descubrimiento del virus en sí ocurrió dos años después del informe de los primeros casos importantes de enfermedades asociadas al SIDA. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

La secuencia completa del genoma del VIH-1, extraída de viriones infecciosos, se ha resuelto con resolución de un solo nucleótido . ^{[ 6 ]} El genoma del VIH codifica un pequeño número de proteínas virales , que invariablemente establecen asociaciones cooperativas entre las proteínas del VIH y entre el VIH y las proteínas del huésped, para invadir las células del huésped y secuestrar su maquinaria interna. ^{[ 7 ]} El VIH es diferente en estructura de otros retrovirus . El virión del VIH tiene ~100 nm de diámetro. Su región más interna consta de un núcleo  en forma de cono que incluye dos copias del genoma de ARN monocatenario (de sentido positivo), las enzimas transcriptasa inversa , integrasa y proteasa , algunas proteínas menores y la proteína central principal. ^{[ 8 ]} El genoma del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) codifica 8 proteínas virales que desempeñan funciones esenciales durante el ciclo de vida del VIH. ^{[ 7 ]}

El VIH-1 está compuesto por dos copias de ARN monocatenario de sentido positivo , no empalmado y no unido covalentemente, encerrado por una cápside cónica compuesta por la proteína viral p24 , típica de los lentivirus . ^{[ 9 ] [ 10 ]} Los dos ARN suelen ser idénticos, pero no son independientes, sino que forman un dímero compacto dentro del virión. ^{[ 11 ]} Se han propuesto varias razones por las que se empaquetan dos copias de ARN en lugar de solo una, incluyendo probablemente una combinación de estas ventajas: Una ventaja es que las dos copias de las cadenas de ARN son vitales para contribuir a la recombinación del VIH-1, que ocurre durante la transcripción inversa de la replicación viral, aumentando así la diversidad genética. ^{[ 11 ]} Otra ventaja es que tener dos copias de ARN permitiría a la transcriptasa inversa cambiar de plantilla cuando encuentra una rotura en el ARN viral, completando así la transcripción inversa sin pérdida de información genética. ^{[ 11 ]} Otra razón es que la naturaleza dimérica del genoma de ARN del virus puede desempeñar un papel estructural en la replicación viral. ^{[ 11 ]} La contención de dos copias de ARN monocatenario dentro de un virión, pero la producción de un solo provirus de ADN, se denomina pseudodiploidía. ^{[ 12 ]} El componente de ARN tiene 9749 nucleótidos de longitud ^{[ 13 ] [ 14 ]} y posee una caperuza 5' (Gppp), una cola de poli(A) 3' y muchos marcos de lectura abiertos (ORF). ^{[ 15 ]} Las proteínas estructurales virales están codificadas por ORF largos, mientras que los ORF más pequeños codifican reguladores del ciclo de vida viral: unión, fusión de membrana, replicación y ensamblaje. ^{[ 15 ]}

El ARN monocatenario está fuertemente unido a las proteínas de la nucleocápside p7 , la proteína de ensamblaje tardío p6 y enzimas esenciales para el desarrollo del virión, como la transcriptasa inversa y la integrasa . El ARNt de lisina es el cebador de la transcriptasa inversa dependiente de magnesio. ^{[ 9 ]} La nucleocápside se asocia con el ARN genómico (una molécula por hexámero) y protege el ARN de la digestión por nucleasas . También se encuentran dentro de la partícula del virión Vif , Vpr , Nef y la proteasa viral . La envoltura del virión está formada por una membrana plasmática de origen de la célula huésped, que está sostenida por una matriz compuesta por la proteína viral p17, asegurando la integridad de la partícula del virión. En la superficie del virión se puede encontrar un número limitado de la glicoproteína de envoltura (Env) del VIH, un trímero formado por heterodímeros de gp120 y gp41 . Env es responsable de unirse a su receptor huésped primario, CD4, y a su correceptor (principalmente CCR5 o CXCR4 ), lo que conduce a la entrada del virus en su célula diana. ^{[ 16 ]}

Como las únicas proteínas en la superficie del virus, las glicoproteínas de la envoltura (gp120 y gp41) son los principales objetivos de los esfuerzos para la vacuna contra el VIH . ^{[ 17 ]} Más de la mitad de la masa de la espícula trimérica de la envoltura son glicanos unidos a N. La densidad es alta porque los glicanos protegen la proteína viral subyacente de la neutralización por anticuerpos . Esta es una de las moléculas más densamente glicosiladas conocidas y la densidad es suficientemente alta como para impedir el proceso normal de maduración de los glicanos durante la biogénesis en el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi . ^{[ 18 ] [ 19 ]} Por lo tanto, la mayoría de los glicanos se encuentran estancados como glicanos inmaduros de "alta manosa " que normalmente no están presentes en las glicoproteínas humanas secretadas o de la superficie celular. ^{[ 20 ]} El procesamiento inusual y la alta densidad implican que casi todos los anticuerpos neutralizantes de amplio espectro que se han identificado hasta ahora (de un subconjunto de pacientes que han estado infectados durante muchos meses o años) se unen a estos glicanos de la envoltura o están adaptados para lidiar con ellos. ^{[ 21 ]}

La estructura molecular de la espícula viral se ha determinado mediante cristalografía de rayos X ^{[ 22 ]} y criomicroscopía electrónica ^{[ 23 ]} . Estos avances en biología estructural fueron posibles gracias al desarrollo de formas recombinantes estables de la espícula viral mediante la introducción de un enlace disulfuro intersubunidad y una mutación de isoleucina a prolina en gp41 ^{[ 24 ]} . Los denominados trímeros SOSIP no solo reproducen las propiedades antigénicas de la espícula viral nativa, sino que también muestran el mismo grado de glicanos inmaduros que presenta el virus nativo ^{[ 25 ]} . Las espículas virales triméricas recombinantes son candidatas prometedoras para vacunas, ya que muestran menos epítopos no neutralizantes que la gp120 monomérica recombinante, que actúa suprimiendo la respuesta inmune a los epítopos diana ^{[ 26 ] .}

El VIH tiene varios genes principales que codifican proteínas estructurales que se encuentran en todos los retrovirus, así como varios genes no estructurales ("accesorios") únicos del VIH. ^{[ 27 ]} El genoma del VIH contiene nueve genes que codifican quince proteínas virales. ^{[ 28 ]} Estas se sintetizan como poliproteínas que producen proteínas para el interior del virión, llamadas Gag, antígeno específico de grupo; las enzimas virales (Pol, polimerasa) o las glicoproteínas de la envoltura (env) del virión. ^{[ 29 ]} Además de estas, el VIH también codifica proteínas que tienen ciertas funciones reguladoras y auxiliares. ^{[ 29 ]} El VIH-1 tiene dos elementos reguladores importantes: Tat y Rev y algunas proteínas accesorias importantes como Nef, Vpr, Vif y Vpu que no son esenciales para la replicación en ciertos tejidos. ^{[ 29 ]} El gen gag proporciona la infraestructura física básica del virus, y pol proporciona el mecanismo básico por el cual los retrovirus se reproducen, mientras que los demás ayudan al VIH a entrar en la célula huésped y mejoran su reproducción. Aunque pueden estar alterados por mutación, todos estos genes, excepto tev , existen en todas las variantes conocidas del VIH; véase Variabilidad genética del VIH .

El VIH emplea un sofisticado sistema de empalme diferencial de ARN para obtener nueve productos génicos diferentes a partir de un genoma de menos de 10 kb. ^{[ 30 ]} El VIH tiene un transcrito genómico no empalmado de 9,2 kb que codifica los precursores de gag y pol; un ARNm de 4,5 kb con un solo empalme que codifica env, Vif, Vpr y Vpu, y un ARNm de 2 kb con múltiples empalmes que codifica Tat, Rev y Nef. ^{[ 30 ]}

• Organización del genoma y transcripciones del VIH-1 y VIH-2
• 
  VIH-1
• 
  VIH-2

Proteínas estructurales virales

• gag (antígeno específico de grupo) codifica la poliproteína precursora gag que es procesada por la proteasa viral durante la maduración a MA ( proteína de matriz , p17); CA (proteína de la cápside, p24 ); SP1 (péptido espaciador 1, p2); NC ( proteína de la nucleocápside , p7); SP2 (péptido espaciador 2, p1) y proteína P6. ^{[ 31 ]}
• El gen pol codifica las enzimas virales proteasa del VIH (PR, p17), transcriptasa inversa (RT) y ARNasa H , e integrasa (IN, p31). ^{[ 29 ]} La proteasa del VIH es necesaria para escindir la poliproteína precursora Gag y producir proteínas estructurales; la RT es necesaria para transcribir el ADN a partir de la plantilla de ARN; y la IN es necesaria para integrar el ADN viral de doble cadena en el genoma del huésped. ^{[ 27 ]} La RT se produce tanto en una forma conectada con la ARNasa H (p66) como en una forma separada de la ARNasa H (p51 y p15). p66 y p51 forman un heterodímero. ^{[ 32 ]}
• El gen env (de "envelope") codifica la proteína gp160 , que es escindida por la furina , una proteasa del huésped, dentro del retículo endoplasmático de la célula huésped. El procesamiento postraduccional produce una glicoproteína de superficie, gp120 o SU, que se une a los receptores CD4 presentes en los linfocitos, y gp41 o TM, que se inserta en la envoltura viral para permitir que el virus se adhiera y se fusione con las células diana. ^{[ 27 ] [ 31 ]}

Se han identificado varios elementos de estructura secundaria conservados dentro del genoma del ARN del VIH . Las estructuras del ARN viral del VIH regulan la progresión de la transcripción inversa. ^{[ 35 ]} La estructura 5'UTR consiste en una serie de estructuras de tallo-bucle conectadas por pequeños enlaces. ^{[ 10 ]} Estos tallo-bucles (5' a 3') incluyen el elemento de la región de transactivación (TAR), la señal de poliadenilación 5' [poli(A)], el PBS, el DIS, el SD principal y la estructura de horquilla ψ ubicada dentro del extremo 5' del genoma y el elemento de respuesta Rev del VIH (RRE) dentro del gen env. ^{[ 10 ] [ 36 ] [ 37 ]} Otra estructura de ARN que se ha identificado es el tallo-bucle 3 de gag (GSL3) , que se cree que está involucrado en el empaquetamiento viral. ^{[ 38 ] [ 39 ]} Se ha propuesto que las estructuras secundarias del ARN afectan el ciclo de vida del VIH al alterar la función de la proteasa y la transcriptasa inversa del VIH , aunque no a todos los elementos identificados se les ha asignado una función.

Las estructuras secundarias no mencionadas anteriormente incluyen:

• Se ha demostrado que una estructura secundaria de ARN determinada mediante análisis SHAPE contiene tres bucles de tallo y se localiza entre los genes de la proteasa y la transcriptasa inversa del VIH. Se ha demostrado que este ARN regulador cis se conserva en toda la familia del VIH y se cree que influye en el ciclo de vida viral. ^{[ 40 ]}
• señal de cambio de marco ribosómico del VIH
• Elemento de respuesta de transactivación

• investigación sobre el VIH/SIDA

• Entrada de Rfam para el bucle del tallo de la polimerasa 1 del VIH
• Modelo 3D del virión completo del VIH-1
• Liu J, Wright ER, Winkler H (2010). "Visualización 3D de viriones del VIH mediante tomografía crioelectrónica". Cryo-EM, Parte C: Análisis, interpretación y estudios de caso . Methods in Enzymology. Vol.  483. pp. 267–290 . doi : 10.1016/S0076-6879(10)83014-9 . ISBN  9780123849939. PMC 3056484 . PMID 20888479 .