adeno-associeret virus | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Adeno-associerede vira | ||||||||
videnskabelig klassifikation | ||||||||
Gruppe:Virus [1]Rige:MonodnaviriaKongerige:ShotokuviraeType:cossaviricotaKlasse:QuintoviricetesBestille:PiccoviralesFamilie:ParvovirusUnderfamilie:ParvovirinaeSlægt:DependoparvovirusUdsigt:adeno-associeret virus | ||||||||
Internationalt videnskabeligt navn | ||||||||
Adeno-associeret dependoparvovirus A | ||||||||
Synonymer | ||||||||
Baltimore-gruppen | ||||||||
II: ssDNA-vira | ||||||||
|
Adeno-associeret virus ( eng. Adeno-associeret dependoparvovirus A , AAV) er en lille virus , der inficerer celler hos mennesker og nogle andre primater . Den adeno-associerede virus ser ikke ud til at forårsage sygdom hos mennesker og fremkalder derfor et svagt immunrespons.
Adeno-associeret virus kan inficere delende og ikke-delende celler og kan integrere sit genom i værtsgenomet. Disse funktioner gør AAV til en særlig attraktiv kandidat til design af virale vektorer til genterapi [4] .
Adeno-associeret virus tilhører Dependoparvovirus- slægten af parvovirusfamilien ( Parvoviridae ). Virusset er lille (20 nm), har ikke en lipidkappe og koder ikke for sine egne replikationsenzymer .
I 1965 udgav Robert Atchison et papir, der beskrev en ny virus kaldet adeno-associeret virus [5] . Viruspartikler er blevet påvist ved elektronmikroskopi i abe -adenoviruspræparater , der er blevet transplanteret flere gange på primære rhesus-abe -nyrecellekulturer . Atchison-gruppen separerede 24 nm partikler af det nye virus fra større 80 nm adenovirus partikler ved hjælp af ultrafiltrering [6] .
Efter isolering blev det vist, at delvist oprensede adeno-associerede virusvirioner ikke kan replikere alene , men kan replikere og spredes i adenovirus-inficerede kulturer . Det adeno-associerede virus viste sig således at være en defekt ledsagende virus, der har brug for en hjælpevirus til fuld replikation. Da det adeno-associerede virus ikke koder for sin egen DNA-polymerase , kræver det et hjælpevirus, normalt et adenovirus, for at replikere [7] .
I juli 2013, som et resultat af en revision af familien, blev 4 nært beslægtede arter slået sammen til én, hvilket ændrede navnet på slægten til Dependoparvovirus , og navnet på arten til Adeno-associeret dependoparvovirus A [3] .
Vildtype adeno-associeret virus har nogle fordele til genterapi . En af de vigtigste fordele er, at denne virus ikke er patogen . Adeno-associeret virus kan inficere ikke-delende celler og kan integreres i værtsgenomet på specifikke steder (AAVS1) på det nittende kromosom [8] .
Denne funktion gør adeno-associeret virus mere forudsigelig end retrovira . Retrovira er potentielt farlige som mutagener , da de tilfældigt indsættes i værtsgenomet, hvilket kan føre til fremkomsten af kræftsvulster. Det adeno-associerede virusgenom indsætter sædvanligvis på et specifikt sted, og tilfældige insertioner forekommer med ubetydelig frekvens. Når der skabes vektorer til genterapi baseret på adeno-associeret virus, fjernes rep- og cap -generne fra det virale DNA . Det ønskede gen, sammen med promotoren , indsættes mellem inverterede terminale gentagelser ( inverterede terminale gentagelser, ITR) , som et resultat af hvilke concatamerer dannes i kernen efter syntesen af den anden DNA -streng af den cellulære DNA-polymerase . Vektorer til genterapi baseret på adeno-associerede vira danner episomale konkatamerer i værtscellens kerne. I ikke-delende celler forbliver disse konkatamerer intakte; i delende celler går adeno-associeret virus-DNA tabt under celledelinger, da episomalt DNA ikke replikeres under værtscelle- DNA-replikation . Utilsigtet indsættelse af adeno-associeret virus-DNA i værtsgenomet er meget sjælden. Adeno-associeret virus har også meget lav immunogenicitet , tilsyneladende begrænset af den lave effektivitet til at producere neutraliserende antistoffer , mens sidstnævnte ikke har vist sig klart at være cytotoksisk [9] [10] [11] . De beskrevne funktioner, såvel som evnen til at inficere ikke-delende celler, bestemmer fordelene ved adeno-associeret virus frem for adenovira til genterapi.
Brugen af adeno-associeret virus har også nogle ulemper. Kapaciteten af virusgenomet til rådighed for kloning af terapeutiske gener er kun omkring 4800 basepar . Denne vektor er således ikke egnet til kloning af store gener. De omvendte terminale gentagelser af de to genomer kan hybridisere og danne hoved-hale-konkatamerer, hvilket næsten fordobler vektorens kapacitet.
Infektion med vildtypevirus forårsager ofte aktivering af humoral immunitet . Aktiviteten af neutraliserende antistoffer reducerer i nogle tilfælde anvendeligheden af AAV2- serotypen . AAV2 kan også trænge ind i hjernen og er meget neuronspecifik .
I øjeblikket gennemgår adeno-associerede virus-baserede lægemidler (vektorer) til behandling af cystisk fibrose og hæmofili den første fase af kliniske forsøg. Der er opnået lovende resultater fra den første fase af kliniske forsøg med lægemidler mod Parkinsons sygdom . Andre kliniske forsøg har vist sikkerheden af adeno-associerede virusvektorer i Canavan sygdom , muskeldystrofi og Bilshovsky-
Sygdom | Gene | Indgivelsesmåde | Testfase | Antal testpersoner | Status |
---|---|---|---|---|---|
cystisk fibrose | CFTR | Lunger, aerosol | jeg | 12 | Færdiggjort |
CFTR | Lunger, aerosol | II | 38 | Færdiggjort | |
CFTR | Lunger, aerosol | II | 100 | Færdiggjort | |
Hæmofili B | RETTE OP | Intramuskulært | jeg | 9 | Færdiggjort |
RETTE OP | leverarterie | jeg | 6 | Færdig | |
Gigt | TNFR:Fc | intraartikulært | jeg | en | Blive ved |
arvelig emfysem | AAT | Intramuskulært | jeg | 12 | Blive ved |
muskeldystrofi | Sarcoglycan | Intramuskulært | jeg | ti | Blive ved |
Parkinsons sygdom | GAD65, GAD67 | inde i kraniet | jeg | 12 | Fuldført [13] |
Canavan sygdom | AAC | inde i kraniet | jeg | 21 | Blive ved |
Batten sygdom | CLN2 | inde i kraniet | jeg | ti | Blive ved |
Alzheimers syndrom | NGF | inde i kraniet | jeg | 6 | Blive ved |
spinal muskelatrofi | SMN1 | intrathecal | I–III | femten | Adskillige forsøg gennemført, flere igangværende ( Zolgensma ) |
Kliniske forsøg til behandling af prostatacancer er i fase III fra 2005 [12] , men disse ex vivo undersøgelser inkluderer ikke direkte administration af ADV til patienter.
Adeno-associeret virus anses ikke for at forårsage sygdom hos mennesker. Imidlertid har denne virus vist sig at være en risikofaktor for mandlig infertilitet [14] . Det genomiske DNA fra adeno-associerede vira findes i sædprøver med svækket struktur og funktion af spermatozoer . Der er dog ikke fundet nogen direkte sammenhæng mellem denne infektion og mandlig infertilitet.
Nylige undersøgelser af patienter med sjældne former for hepatocellulært karcinom tyder på, at AAV2-virus kan spille en rolle i udløserne af denne cancer. Da AAV2-viruset er rettet mod gener, der spiller en vigtig rolle i celle-reproduktion, mener forskerne, at infektion fører til deres overaktivering, hvilket resulterer i tumorvækst. Denne opdagelse sætter spørgsmålstegn ved sikkerheden ved at bruge AAV2-vira til genterapi [15] .
Genomet af det adeno-associerede virus indeholder (+ eller -) enkeltstrenget DNA (ssDNA) med en længde på ca. 4,7 tusinde nukleotider. I enderne af det genomiske DNA-molekyle er der inverterede terminale gentagelser ( ITR'er ) . Genomet indeholder to åbne læserammer ( ORF'er ) : rep og cap . Den første indeholder fire overlappende gener , der koder for Rep-proteiner, som er nødvendige for virussens livscyklus , den anden læseramme indeholder overlappende nukleotidsekvenser af capsidproteiner : VP1, VP2 og VP3, som danner det icosaedriske hoved af kapsiden [16] .
Sekvensen af inverterede terminale gentagelser ( eng. Inverted Terminal Repeat, ITR ) er 145 nukleotider. ITR'er er placeret symmetrisk i genomet af adeno-associerede vira og er nødvendige for genomisk DNA- replikation [17] . En anden af egenskaberne ved ITR er evnen til at danne hårnåle, som tillader syntesen af den anden DNA-streng uden deltagelse af primase . Inverterede terminale gentagelser er også nødvendige for integrationen af viralt DNA i en specifik region af det nittende humane kromosom og til frigivelse af provirus -DNA fra kromosomet [18] [19] såvel som til dannelsen af komplekser af adeno-associeret virus-DNA med deoxyribonuklease-resistente kappeproteiner [20] .
I tilfælde af genterapi skal ITR være i cis-position efter det terapeutiske gen. Dette mønster anvendes til at opnå rekombinante vektorer baseret på adeno-associeret virus ( eng. rekombinant AAV, rAAV ) indeholdende reporter- eller terapeutiske gener. Det er blevet vist, at ITR'er ikke er nødvendige i cis-positionen til replikation og kapsidfoldning. Et cis -virkende Rep-afhængigt element (CARE ) blev fundet i nukleotidsekvensen af rep-genet . I cis-position forbedrer CARE replikationen og samlingen af virale partikler [21] [22] [23] [24] .
Gener og proteiner rep"Venstre side af genomet " indeholder to promotorer , p5 og p19, hvorfra to overlappende mRNA'er af forskellig længde transskriberes . Hvert gen, der koder for det tilsvarende mRNA, indeholder en intron , der kan udskæres under splejsningsprocessen . Som et resultat kan fire forskellige mRNA'er syntetiseres, og følgelig fire forskellige Rep-proteiner med overlappende sekvenser. Proteiner er navngivet efter deres molekylære masser i kDa : Rep78, Rep68, Rep52 og Rep40 [25] . Rep78 og 68 binder specifikt som en primer en hårnål dannet af inverterede terminale gentagelser og skærer den derefter ved det terminale opløsningssted . Rep78 og 68 har vist sig at være nødvendige for den specifikke integration af adeno-associeret virus-DNA i værtsgenomet. Fire Rep-proteiner binder ATP og har helicaseaktivitet . Disse proteiner øger transkriptionen fra p40-promotoren, men svækker transkriptionen fra p5- og p19-promotoren [19] [25] [26] [27] [28] [29] .
cap -gener og VP-proteinerDen "højre side" af (+) strengen af det adeno-associerede virus genomiske DNA indeholder overlappende sekvenser, der koder for tre capsidproteiner , VP1, VP2 og VP3. Transskription af disse gener starter fra en enkelt promotor , p40. Molekylvægten af de tilsvarende proteiner er henholdsvis 87, 72 og 62 kDa [30] . Alle tre proteiner er translateret fra det samme mRNA. Efter transkription kan præ-mRNA'et splejses på to forskellige måder, hvorved en længere eller kortere intron udskæres og mRNA'er på 2300 eller 2600 nukleotider dannes . Sædvanligvis, især i nærvær af adenovirus , udskæres en længere intron. I denne form skæres den første startkodon AUG ud , hvorfra syntesen af VP1-proteinet begynder, og niveauet af VP1-proteinsyntesen falder. Det første kodon AUG, der forbliver i tilfælde af et længere transkript , er startkodonet for VP3-proteinet. Nukleotidsekvensen, der går forud for dette kodon inden for den samme læseramme, indeholder imidlertid sekvensen , der ACGkoder for threonin , som er omgivet af den optimale Kozak-sekvens . Dette fører til et fald i syntesen af VP2-proteinet (som er et VP3-protein med yderligere aminosyrerester i N-terminalen [31] [32] [33] [34] .
Da den større intron fortrinsvis udskæres fra præ-mRNA'et, og da kodonet ACGer et svagere startkodon, udtrykkes de tilsvarende proteiner in vivo i et forhold på ca. 1:1:20, og proteinerne er også inkluderet i viruspartiklen i samme forhold [35] . Et unikt fragment ved N-terminalen af VP1-proteinet har phospholipase A2 ( PLA2 ) aktivitet , som sandsynligvis er nødvendig for frigivelsen af virale partikler fra sene endosomer [36] . Muralidar et al viste, at VP2- og VP3-proteinerne er essentielle for samlingen af en viral partikel [33] . Warrington et al viste, at VP2-proteinet ikke er strengt nødvendigt for samlingen af en viral partikel, og det påvirker heller ikke virusets patogene egenskaber. Funktionen af VP2-proteinet påvirkes imidlertid ikke af signifikante insertioner i den N-terminale del, mens insertioner i VP1 reducerer dets phospholipaseaktivitet [ 37] .
Krystalstrukturen af VP3-proteinet blev bestemt i 2002 af Xi og Bew et al . [38] .
I 2006 var 11 adeno-associerede virusserotyper blevet beskrevet [39] . Alle kendte serotyper kan inficere celler i mange vævstyper . Vævsspecificitet bestemmes af serotypen af capsidproteinerne , så adeno-associerede virusvektorer er designet til at specificere den ønskede serotype.
Adeno-associeret virus serotype 2 har været den mest omfattende undersøgte [40] [41] [42] [43] [44] [45] . Adeno-associeret virus serotype 2 har en naturlig affinitet til skeletmuskulatur [46] , neuroner [40] , vaskulær glat muskulatur [47] og hepatocytter [48] .
Tre cellulære receptorer er blevet beskrevet for adeno-associeret virus serotype 2: heparansulfat proteoglycan (HSPG ) , integrin a Vβ5 og fibroblast vækstfaktor receptor 1 ( FGFR - 1 ) . Førstnævnte er den primære receptor, de to sidstnævnte er co-receptorer, og tillader adeno-associeret virus at trænge ind i cellen ved receptor-medieret endocytose [49] [50] [51] [52] . HSPG er signifikant til stede i det ekstracellulære stof og fungerer som en primær receptor, mens det renser kroppen for adeno-associerede viruspartikler og reducerer infektionseffektiviteten [53] .
Undersøgelser har vist, at adeno-associeret virus serotype 2 dræber kræftceller uden at beskadige raske celler. "Vores undersøgelser har vist, at adeno-associeret virus type 2, som inficerer en stor population af celler, dræber mange typer kræftceller, men ikke sunde celler," siger Craig Meyer , professor i immunologi og mikrobiologi ved Penn State College of Medicine i Pennsylvania [54] . Disse undersøgelser kan føre til skabelsen af nye lægemidler mod kræft.
Selvom adeno-associeret virus serotype 2 er den mest populære serotype i videnskabelig forskning, har andre serotyper vist sig at være mere effektive genleveringsvektorer . For eksempel er adeno-associeret virus serotype 6 bedre til at inficere luftvejsepitelceller, serotype 7 virus har et meget højt niveau af transduktion af museskeletmuskelceller, serotype 8 virus transducerer hepatocytter godt [55] [56] [57] , og serotype 1 og 5 vira er meget effektive, leverer gener til vaskulære endotelceller [58] . Adeno-associeret virus serotype 6, som er en hybrid af serotype 1 og 2 [57] , har også lavere immunogenicitet end serotype 2 virus [56] .
Serotyper adskiller sig i de receptorer, som de binder sig til. For eksempel kan transduktion af serotype 4- og 5-virus hæmmes af sialinsyreopløsning [59] , mens serotype 5-virus trænger ind i cellerne gennem blodpladevækstfaktorreceptoren [60] .
Adeno-associeret virus er af særlig interesse for genterapi på grund af dets begrænsede evne til at inducere et immunrespons hos mennesker. Denne egenskab ved denne virus gør den særlig velegnet til transduktion , da den reducerer risikoen for immunpatologier.
Dyr viser et medfødt immunrespons på adeno-associeret virus. Intravenøs administration af virussen til mus forårsager produktion af inflammatoriske cytokiner , infiltration af neutrofiler og andre leukocytter i leveren , hvilket ser ud til at reducere antallet af injicerede virale partikler betydeligt [61] .
Det har vist sig, at virussen kan forårsage en humoral reaktion hos både dyr og mennesker. Op til 80 % af den menneskelige befolkning er seropositive serotype 2. Det er blevet vist, at neutraliserende antistoffer kan reducere transduktionen af adeno-associerede virusvektorer ad flere administrationsveje [62] .
Det cellulære immunrespons på virussen og vektorer afledt af virussen var ikke godt forstået før 2005 [62] . Kliniske undersøgelser af en vektor baseret på adeno-associeret virus serotype 2 til behandling af hæmofili B har vist, at ødelæggelse af transducerede celler kan forekomme [63] . Undersøgelser har vist, at CD8+ T-lymfocytter kan genkende elementer af det adeno-associerede viruskapsid in vitro [64] , hvilket indikerer potentialet for et cytotoksisk respons på vektorer i forhold til T - lymfocytter . Disse undersøgelser er imidlertid ufuldstændige, og muligheden for et sådant cytotoksisk respons er ikke blevet fuldt ud undersøgt.
I livscyklussen for en adeno-associeret virus, fra celleinfektionsstadiet til dannelsen af nye viruspartikler, kan der skelnes mellem flere stadier:
Nogle af disse trin kan variere afhængigt af celletypen. Parametrene for viral DNA-replikation kan også variere blandt celler af samme type, afhængigt af stadiet af cellecyklussen [65] .
Adeno-associeret virus er ikke i stand til at replikere i celler, der ikke er inficeret med adenovira . Dette træk ved dannelse af virale partikler indikerer, at adeno-associeret virus stammer fra adenovira. Adeno-associeret virus-DNA-replikation har vist sig at være lettet i nærvær af visse proteiner fra adenovira [66] [67] eller andre vira såsom herpes simplex [68] eller genotoksiske midler såsom ultraviolet stråling eller hydroxyurinstof [69] [70 ] [71] .
Det minimale sæt af adenovirusgener, der kræves til udbredelsen af adeno-associerede vira, blev beskrevet af Matsushita og Ellinger et al . [66] . Denne opdagelse gjorde det muligt at skabe rekombinante adeno-associerede vira, der ikke kræver co-infektion med adenovirus. I fravær af hjælpervira eller genotoksiske faktorer kan adeno-associeret virus-DNA indsættes i værtsgenomet i episomal form. I det første tilfælde udføres integration i værtsgenomet af Rep78- og Rep68-proteinerne og kræver tilstedeværelsen af inverterede terminale gentagelser ( ITR ), der flankerer den indsatte sekvens . Hos mus kan det adeno-associerede virusgenom opholde sig som et episom (cirkulært DNA, hoved-til-hale-orientering) i ikke-delende væv - for eksempel i skeletmuskulaturen [72] .