adeno-asociovaný virus | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Adeno-asociované viry | ||||||||
vědecká klasifikace | ||||||||
Skupina:Viry [1]Oblast:MonodnaviriaKrálovství:ShotokuviraeTyp:cossaviricotaTřída:QuintoviricetesObjednat:PiccoviralesRodina:ParvoviryPodrodina:ParvovirinaeRod:DependoparvovirusPohled:adeno-asociovaný virus | ||||||||
Mezinárodní vědecký název | ||||||||
Adeno-asociovaný dependoparvovirus A | ||||||||
Synonyma | ||||||||
Baltimorská skupina | ||||||||
II: viry ssDNA | ||||||||
|
Adeno-asociovaný virus ( angl. Adeno-associated dependoparvovirus A , AAV) je malý virus , který infikuje buňky u lidí a některých dalších primátů . Zdá se, že adeno-asociovaný virus nezpůsobuje onemocnění u lidí, a proto vyvolává slabou imunitní odpověď.
Adeno-asociovaný virus může infikovat dělící se i nedělící se buňky a může integrovat svůj genom do genomu hostitele. Tyto vlastnosti činí z AAV zvláště atraktivního kandidáta pro návrh virových vektorů pro genovou terapii [4] .
Adeno-asociovaný virus patří do rodu Dependoparvovirus z rodiny parvovirů ( Parvoviridae ). Virus je malý (20 nm), nemá lipidový obal a nekóduje své vlastní replikační enzymy .
V roce 1965 publikoval Robert Atchison článek popisující nový virus nazvaný adeno-asociovaný virus [5] . Virové částice byly detekovány elektronovou mikroskopií v preparátech opičího adenoviru , které byly několikrát transplantovány na primární buněčné kultury ledvin opice rhesus . Atchisonova skupina separovala 24 nm částice nového viru od větších 80 nm adenovirových částic pomocí ultrafiltrace [6] .
Po izolaci se ukázalo, že částečně purifikované viriony adeno-asociovaného viru se nemohou samy replikovat , ale mohou se replikovat a šířit v kulturách infikovaných adenovirem . Adeno-asociovaný virus se tedy ukázal jako defektní doprovodný virus, který potřebuje pro plnou replikaci pomocný virus. Protože adeno-asociovaný virus nekóduje svou vlastní DNA polymerázu , potřebuje k replikaci pomocný virus, obvykle adenovirus [7] .
V červenci 2013 byly v důsledku revize čeledi sloučeny 4 blízce příbuzné druhy do jednoho, přičemž se název rodu změnil na Dependoparvovirus , a název druhu na Adeno-asociovaný dependoparvovirus A [3] .
Adeno-asociovaný virus divokého typu má některé výhody pro genovou terapii . Jednou z hlavních výhod je, že tento virus není patogenní . Adeno-asociovaný virus může infikovat nedělící se buňky a může se integrovat do hostitelského genomu na specifických místech (AAVS1) na devatenáctém chromozomu [8] .
Tato vlastnost činí adeno-asociovaný virus předvídatelnějším než retroviry . Retroviry jsou potenciálně nebezpečné jako mutageny , protože se náhodně vkládají do hostitelského genomu, což může vést ke vzniku rakovinných nádorů. Genom adeno-asociovaného viru se obvykle vkládá na specifické místo a náhodné inzerce se vyskytují se zanedbatelnou frekvencí. Při vytváření vektorů pro genovou terapii na bázi adeno-asociovaného viru jsou z virové DNA odstraněny geny rep a cap . Požadovaný gen je spolu s promotorem vložen mezi invertované terminální repetice ( inverted terminal repeats, ITR) , v důsledku čehož se v jádře po syntéze druhého řetězce DNA buněčnou DNA polymerázou vytvoří konkatamery . Vektory pro genovou terapii založené na adeno-asociovaných virech tvoří epizomální konkatamery v jádře hostitelské buňky. V nedělících se buňkách zůstávají tyto konkatamery nedotčeny, v dělících se buňkách dochází ke ztrátě DNA adeno-asociovaného viru během buněčného dělení, protože epizomální DNA se během replikace DNA hostitelské buňky nereplikuje . Náhodné vložení DNA adeno-asociovaného viru do genomu hostitele je velmi vzácné. Adeno-asociovaný virus má také velmi nízkou imunogenicitu , zjevně omezenou nízkou účinností produkce neutralizačních protilátek , zatímco u posledně jmenovaných nebylo jasně prokázáno, že jsou cytotoxické [9] [10] [11] . Popsané vlastnosti, stejně jako schopnost infikovat nedělící se buňky, určují výhody adeno-asociovaného viru oproti adenovirům pro genovou terapii.
Použití adeno-asociovaného viru má také některé nevýhody. Kapacita virového genomu dostupná pro klonování terapeutických genů je pouze asi 4800 párů bází . Tento vektor tedy není vhodný pro klonování velkých genů. Invertované koncové repetice dvou genomů mohou hybridizovat a tvořit konkatamery hlava-ocas, čímž se kapacita vektoru téměř zdvojnásobí.
Infekce virem divokého typu často způsobuje aktivaci humorální imunity . Aktivita neutralizačních protilátek v některých případech snižuje použitelnost sérotypu AAV2 . AAV2 může také vstoupit do mozku a je vysoce neuronově specifický .
V současné době procházejí první fází klinických studií léky (vektory) na bázi adeno-asociovaných virů pro léčbu cystické fibrózy a hemofilie . Slibné výsledky byly získány z první fáze klinických zkoušek léků proti Parkinsonově chorobě . Jiné klinické studie prokázaly bezpečnost adeno-asociovaných virových vektorů u Canavanovy choroby , svalové dystrofie a -Janskyho
Klinické studie vektorů založených na adeno-asociovaném virovém vektoru [12]Choroba | Gen | Způsob podání | Testovací fáze | Počet testovaných osob | Postavení |
---|---|---|---|---|---|
cystická fibróza | CFTR | Plíce, aerosol | já | 12 | Dokončeno |
CFTR | Plíce, aerosol | II | 38 | Dokončeno | |
CFTR | Plíce, aerosol | II | 100 | Dokončeno | |
Hemofilie B | OPRAVIT | Intramuskulární | já | 9 | Dokončeno |
OPRAVIT | jaterní tepna | já | 6 | Hotovo | |
Artritida | TNFR:Fc | intraartikulární | já | jeden | Pokračovat |
dědičný emfyzém | AAT | Intramuskulární | já | 12 | Pokračovat |
svalová dystrofie | Sarkoglykan | Intramuskulární | já | deset | Pokračovat |
Parkinsonova choroba | GAD65, GAD67 | uvnitř lebky | já | 12 | Dokončeno [13] |
Canavanská nemoc | AAC | uvnitř lebky | já | 21 | Pokračovat |
Battenova nemoc | CLN2 | uvnitř lebky | já | deset | Pokračovat |
Alzheimerova syndromu | NGF | uvnitř lebky | já | 6 | Pokračovat |
spinální svalová atrofie | SMN1 | intratekální | I–III | patnáct | Několik zkoušek dokončeno, několik probíhajících ( Zolgensma ) |
Klinické studie pro léčbu rakoviny prostaty jsou od roku 2005 ve stadiu III [12] , nicméně tyto studie ex vivo nezahrnují přímé podávání ADV pacientům.
Adeno-asociovaný virus se nepovažuje za způsobující onemocnění u lidí. Ukázalo se však, že tento virus je rizikovým faktorem mužské neplodnosti [14] . Genomová DNA adeno-asociovaných virů se nachází ve vzorcích spermatu s narušenou strukturou a funkcí spermií . Mezi touto infekcí a mužskou neplodností však nebyl nalezen žádný přímý vztah.
Nedávné studie pacientů se vzácnými formami hepatocelulárního karcinomu naznačují, že virus AAV2 může hrát roli ve spouštěcích faktorech této rakoviny. Vzhledem k tomu, že virus AAV2 se zaměřuje na geny, které hrají důležitou roli v reprodukci buněk, vědci se domnívají, že infekce vede k jejich nadměrné aktivaci, což má za následek růst nádoru. Tento objev zpochybňuje bezpečnost použití virů AAV2 pro genovou terapii [15] .
Genom adeno-asociovaného viru obsahuje (+ nebo -) jednovláknovou DNA (ssDNA) o délce asi 4,7 tisíce nukleotidů. Na koncích molekuly genomové DNA jsou invertované terminální repetice ( ITR ) . Genom obsahuje dva otevřené čtecí rámce ( ORF ) : rep a cap . První obsahuje čtyři překrývající se geny kódující proteiny Rep, které jsou nezbytné pro životní cyklus viru, druhý čtecí rámec obsahuje překrývající se nukleotidové sekvence kapsidových proteinů : VP1, VP2 a VP3, které tvoří ikosaedrickou hlavu kapsidy [16] .
Sekvence invertovaných terminálních repetic ( angl. Inverted Terminal Repeat, ITR ) je 145 nukleotidů. ITR jsou umístěny symetricky v genomu adeno-asociovaných virů a jsou nezbytné pro replikaci genomové DNA [17] . Další z vlastností ITR je schopnost tvořit vlásenky, což umožňuje syntézu druhého vlákna DNA bez účasti primázy . Invertované koncové repetice jsou také nutné pro integraci virové DNA do specifické oblasti devatenáctého lidského chromozomu a pro uvolnění provirové DNA z chromozomu [18] [19] , stejně jako pro tvorbu komplexů adeno-asociovaných virová DNA s obalovými proteiny odolnými vůči deoxyribonukleáze [20] .
V případě genové terapie musí být ITR v cis pozici za terapeutickým genem. Tento vzor se používá k získání rekombinantních vektorů založených na adeno-asociovaném viru ( angl. recombinant AAV, rAAV ) obsahujících reportérové nebo terapeutické geny. Ukázalo se, že ITR nejsou vyžadovány v cis poloze pro replikaci a skládání kapsidy. V nukleotidové sekvenci genu rep byl nalezen cis -působící prvek závislý na Rep (CARE ) . V cis pozici CARE zlepšuje replikaci a sestavení virových částic [21] [22] [23] [24] .
Geny a proteiny rep„Levá strana genomu “ obsahuje dva promotory , p5 a p19, ze kterých jsou transkribovány dvě překrývající se mRNA různých délek . Každý gen kódující odpovídající mRNA obsahuje intron , který může být vyříznut během procesu sestřihu . V důsledku toho mohou být syntetizovány čtyři různé mRNA a v souladu s tím čtyři různé proteiny Rep s překrývajícími se sekvencemi. Proteiny jsou pojmenovány podle jejich molekulových hmotností v kDa : Rep78, Rep68, Rep52 a Rep40 [25] . Rep78 a 68 specificky vážou jako primer vlásenku tvořenou převrácenými koncovými repeticemi a poté ji odříznou v místě terminálního rozlišení . Ukázalo se, že Rep78 a 68 jsou nutné pro specifickou integraci DNA adeno-asociovaného viru do hostitelského genomu. Čtyři proteiny Rep vážou ATP a mají helikázovou aktivitu. Tyto proteiny zesilují transkripci z promotoru p40, ale zeslabují transkripci z promotorů p5 a p19 [19] [25] [26] [27] [28] [29] .
cap geny a VP proteiny„Pravá strana“ (+) vlákna genomové DNA adeno-asociovaného viru obsahuje překrývající se sekvence kódující tři kapsidové proteiny, VP1, VP2 a VP3. Transkripce těchto genů začíná z jediného promotoru , p40. Molekulová hmotnost odpovídajících proteinů je 87 , 72 a 62 kDa [30] . Všechny tři proteiny jsou translatovány ze stejné mRNA. Po transkripci lze pre-mRNA sestřihnout dvěma různými způsoby, přičemž se vyřízne delší nebo kratší intron a vytvoří se mRNA o 2300 nebo 2600 nukleotidech . Obvykle, zvláště v přítomnosti adenoviru , se vyřízne delší intron. V této formě je vyříznut první start kodon AUG , od kterého začíná syntéza proteinu VP1 a úroveň syntézy proteinu VP1 klesá. První kodon AUG, který zůstává v případě delšího transkriptu , je start kodon pro protein VP3. Nukleotidová sekvence předcházející tomuto kodonu ve stejném čtecím rámci však obsahuje sekvenci ACGkódující threonin , která je obklopena optimální Kozakovou sekvencí . To vede ke snížení syntézy proteinu VP2 (což je protein VP3 s dalšími aminokyselinovými zbytky na N-konci [31] [32] [33] [34] .
Vzhledem k tomu, že větší intron je přednostně vyříznut z pre-mRNA a protože kodon ACGje slabší start kodon, odpovídající proteiny jsou exprimovány in vivo v poměru přibližně 1:1:20 a proteiny jsou také zahrnuty ve virové částici. ve stejném poměru [35] . Jedinečný fragment na N-konci proteinu VP1 má aktivitu fosfolipázy A2 ( PLA2 ) , která je pravděpodobně nezbytná pro uvolňování virových částic z pozdních endozomů [36] . Muralidar et al prokázali, že proteiny VP2 a VP3 jsou nezbytné pro sestavení virové částice [33] . Warrington a kol. ukázali, že protein VP2 není nezbytně nutný pro sestavení virové částice, ani neovlivňuje patogenní vlastnosti viru. Fungování proteinu VP2 však není ovlivněno významnými inzercemi do N-terminální části, zatímco inzerce do VP1 snižují jeho fosfolipázovou aktivitu [37] .
Krystalovou strukturu proteinu VP3 určili v roce 2002 Xi a Bew et al [38] .
Do roku 2006 bylo popsáno 11 sérotypů adeno-asociovaných virů [39] . Všechny známé sérotypy mohou infikovat buňky v mnoha typech tkání . Tkáňová specificita je určena sérotypem kapsidových proteinů , takže adeno-asociované virové vektory jsou navrženy tak, aby specifikovaly požadovaný sérotyp.
Adeno-asociovaný virus sérotyp 2 byl nejrozsáhleji studován [40] [41] [42] [43] [44] [45] . Adeno-asociovaný virus sérotypu 2 má přirozenou afinitu ke kosternímu svalstvu [46] , neuronům [40] , hladkému svalstvu cév [47] a hepatocytům [48] .
Pro sérotyp 2 adeno-asociovaného viru byly popsány tři buněčné receptory: heparan sulfát proteoglykan (HSPG ) , integrin a Vp5 a receptor 1 fibroblastového růstového faktoru ( FGFR- 1 ) . První z nich je primárním receptorem, poslední dva jsou koreceptory a umožňují adeno-asociovanému viru vstoupit do buňky receptorem zprostředkovanou endocytózou [49] [50] [51] [52] . HSPG je významně přítomen v extracelulární látce a působí jako primární receptor, přičemž čistí tělo od adeno-asociovaných virových částic a snižuje účinnost infekce [53] .
Studie ukázaly, že adeno-asociovaný virus sérotypu 2 zabíjí rakovinné buňky, aniž by poškodil zdravé buňky. "Naše studie ukázaly, že adeno-asociovaný virus typu 2, který infikuje velkou populaci buněk, zabíjí mnoho typů rakovinných buněk, ale ne zdravé buňky," říká Craig Meyer , profesor imunologie a mikrobiologie na Penn State College of Medicine v USA. Pensylvánie [54] . Tyto studie mohou vést k vytvoření nových protirakovinných léků.
Ačkoli je adeno-asociovaný virus sérotyp 2 nejoblíbenějším sérotypem ve vědeckém výzkumu, ukázalo se, že jiné sérotypy jsou účinnějšími vektory pro přenos genů. Například adeno-asociovaný virus sérotypu 6 lépe infikuje epiteliální buňky dýchacího traktu, virus sérotypu 7 má velmi vysokou úroveň transdukce buněk kosterního svalstva myší, virus sérotypu 8 dobře transdukuje hepatocyty [55] [56] [57] , a viry sérotypu 1 a 5 jsou velmi účinné.dodávají geny do vaskulárních endoteliálních buněk [58] . Adeno-asociovaný virus sérotypu 6, který je hybridem sérotypu 1 a 2 [57] , má také nižší imunogenicitu než virus sérotypu 2 [56] .
Sérotypy se liší v receptorech, na které se vážou. Například transdukce viry sérotypů 4 a 5 může být inhibována roztokem kyseliny sialové [59] , zatímco virus sérotypu 5 vstupuje do buněk přes receptor pro růstový faktor destiček [60] .
Adeno-asociovaný virus je zvláště zajímavý pro genovou terapii kvůli jeho omezené schopnosti vyvolat imunitní odpověď u lidí. Tato vlastnost tohoto viru ho činí zvláště vhodným pro transdukci , protože snižuje riziko imunitních patologií.
Zvířata vykazují vrozenou imunitní odpověď na adeno-asociovaný virus. Intravenózní podání viru myším způsobuje produkci zánětlivých cytokinů , infiltraci neutrofilů a dalších leukocytů do jater , což zřejmě významně snižuje počet injikovaných virových částic [61] .
Bylo prokázáno, že virus může způsobit humorální odpověď jak u zvířat, tak u lidí. Až 80 % lidské populace je séropozitivních sérotypu 2. Bylo prokázáno, že neutralizační protilátky mohou snížit transdukci adeno-asociovaných virových vektorů několika způsoby podání [62] .
Buněčná imunitní odpověď na virus a vektory odvozené od viru nebyla dobře pochopena až do roku 2005 [62] . Klinické studie vektoru založeného na adeno-asociovaném viru sérotypu 2 pro léčbu hemofilie B ukázaly, že může dojít k destrukci transdukovaných buněk [63] . Studie ukázaly, že CD8+ T-lymfocyty dokážou rozpoznat prvky kapsidy adeno-asociovaného viru in vitro [64] , což ukazuje na potenciál pro cytotoxickou odpověď na vektory ve vztahu k T- lymfocytům . Tyto studie jsou však neúplné a možnost takové cytotoxické odpovědi nebyla plně prozkoumána.
V životním cyklu adeno-asociovaného viru, od stadia buněčné infekce po tvorbu nových virových částic, lze rozlišit několik fází:
Některé z těchto kroků se mohou lišit v závislosti na typu buňky. Parametry replikace virové DNA se mohou také lišit mezi buňkami stejného typu v závislosti na fázi buněčného cyklu [65] .
Adeno-asociovaný virus není schopen replikovat se v buňkách, které nejsou infikovány adenoviry . Tento rys tvorby virových částic ukazuje, že adeno-asociovaný virus pochází z adenovirů. Ukázalo se, že replikace DNA adeno-asociovaného viru je usnadněna v přítomnosti určitých proteinů z adenovirů [66] [67] nebo jiných virů, jako je herpes simplex [68] nebo genotoxických látek, jako je ultrafialové záření nebo hydroxymočovina [69] [70 ] [71] .
Minimální soubor adenovirových genů potřebných pro propagaci adeno-asociovaných virů popsal Matsushita a Ellinger et al [66] . Tento objev umožnil vytvoření rekombinantních adeno-asociovaných virů, které nevyžadují koinfekci adenovirem. V nepřítomnosti pomocných virů nebo genotoxických faktorů může být DNA adeno-asociovaného viru vložena do hostitelského genomu v epizomální formě. V prvním případě je integrace do hostitelského genomu prováděna proteiny Rep78 a Rep68 a vyžaduje přítomnost invertovaných terminálních repetic ( ITR ) lemujících vloženou sekvenci . U myší může genom adeno-asociovaného viru sídlit jako epizom (kruhová DNA, orientace hlava-ocas) v nedělících se tkáních – například v kosterním svalstvu [72] .