adeno-assosioitunut virus | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||
tieteellinen luokittelu | ||||||||
Ryhmä:Virukset [1]Valtakunta:MonodnaviriaKuningaskunta:ShotokuviraeTyyppi:cossaviricotaLuokka:QuintoviricetesTilaus:PiccoviralesPerhe:ParvoviruksetAlaperhe:ParvovirinaeSuku:DependoparvovirusNäytä:adeno-assosioitunut virus | ||||||||
Kansainvälinen tieteellinen nimi | ||||||||
Adenoon liittyvä dependoparvovirus A | ||||||||
Synonyymit | ||||||||
Baltimore Group | ||||||||
II: ssDNA-virukset | ||||||||
|
Adeno-assosioitunut virus ( eng. Adeno-associated dependoparvovirus A , AAV) on pieni virus , joka infektoi soluja ihmisissä ja joissakin muissa kädellisissä . Adeno-assosioitunut virus ei näytä aiheuttavan sairauksia ihmisissä ja siksi se saa aikaan heikon immuunivasteen.
Adenoon liittyvä virus voi infektoida jakautuvia ja jakautumattomia soluja ja integroida genominsa isäntägenomiin. Nämä ominaisuudet tekevät AAV:sta erityisen houkuttelevan ehdokkaan virusvektorien suunnittelussa geeniterapiaa varten [ 4] .
Adeno-assosioitunut virus kuuluu parvovirusperheen ( Parvoviridae ) Dependoparvovirus - sukuun . Virus on pieni (20 nm), sillä ei ole lipidivaippaa, eikä se koodaa omia replikaatioentsyymejä .
Vuonna 1965 Robert Atchison julkaisi paperin, jossa kuvattiin uusi virus nimeltä adeno-assosioitunut virus [5] . Viruspartikkeleita on havaittu elektronimikroskopialla apinan adenovirusvalmisteista , jotka on siirretty useita kertoja primaarisiin rhesusapinan munuaissoluviljelmiin . Atchison-ryhmä erotti uuden viruksen 24 nm:n hiukkaset suuremmista 80 nm:n adenoviruspartikkeleista ultrasuodatuksella [6] .
Eristyksen jälkeen osoitettiin, että osittain puhdistetut adeno-assosioituneet virusvirionit eivät voi replikoitua itsestään , mutta voivat replikoitua ja levitä adenoviruksella infektoituneissa viljelmissä . Siten adeno-assosioitunut virus osoittautui vialliseksi seuravirukseksi, joka tarvitsee apuviruksen täydelliseen replikaatioon. Koska adeno-assosioitunut virus ei koodaa omaa DNA-polymeraasiaan , se vaatii auttajaviruksen, yleensä adenoviruksen, replikoituakseen [7] .
Heinäkuussa 2013 suvun tarkistuksen seurauksena 4 lähisukulaista lajia yhdistettiin yhdeksi, jolloin suvun nimi muutettiin Dependoparvovirukseksi ja lajin nimi Adeno-assosioituneeksi dependoparvovirukseksi A [3] .
Villityypin adeno-assosioituneella viruksella on joitain etuja geeniterapiassa . Yksi tärkeimmistä eduista on, että tämä virus ei ole patogeeninen . Adeno-assosioitunut virus voi infektoida jakautumattomia soluja ja integroitua isäntägenomiin tietyissä kohdissa (AAVS1) yhdeksännentoista kromosomissa [8] .
Tämä ominaisuus tekee adeno-assosioituneesta viruksesta ennustettavamman kuin retrovirukset . Retrovirukset ovat mahdollisesti vaarallisia mutageeneina , koska ne siirtyvät satunnaisesti isäntägenomiin, mikä voi johtaa syöpäkasvaimien syntymiseen. Adeno-assosioituneen viruksen genomi insertoituu yleensä tiettyyn kohtaan, ja satunnaisia insertioita tapahtuu mitättömällä tiheydellä. Kun luodaan adeno-assosioituneeseen virukseen perustuvia vektoreita geeniterapiaan, rep- ja cap -geenit poistetaan viruksen DNA:sta . Haluttu geeni yhdessä promoottorin kanssa insertoidaan käänteisten terminaalisten toistojen väliin ( inverted terminaalitoistot, ITR) , minkä seurauksena tumaan muodostuu konkatameerejä toisen DNA-juosteen synteesin jälkeen solun DNA-polymeraasin toimesta . Geeniterapian vektorit, jotka perustuvat adeno-assosioituneisiin viruksiin, muodostavat episomaalisia konkatameerejä isäntäsolun tumassa. Jakautumattomissa soluissa nämä konkatameerit pysyvät ehjinä; jakautuvissa soluissa adeno-assosioitunut virus-DNA katoaa solujen jakautumisen aikana, koska episomaalinen DNA ei replikoidu isäntäsolun DNA:n replikaation aikana. Adeno-assosioituneen viruksen DNA:n vahingossa liittäminen isäntägenomiin on hyvin harvinaista. Adeno-assosioituneella viruksella on myös erittäin alhainen immunogeenisyys , jota ilmeisesti rajoittaa neutraloivien vasta -aineiden tuotannon alhainen tehokkuus , kun taas jälkimmäisen ei ole selvästi osoitettu olevan sytotoksinen [9] [10] [11] . Kuvatut ominaisuudet sekä kyky infektoida jakautumattomia soluja määrittävät adeno-assosioituneen viruksen edut adenoviruksiin verrattuna geeniterapiassa.
Adeno-assosioituneen viruksen käytöllä on myös joitain haittoja. Terapeuttisten geenien kloonaukseen käytettävissä olevan virusgenomin kapasiteetti on vain noin 4800 emäsparia . Siten tämä vektori ei sovellu suurten geenien kloonaukseen. Kahden genomin käänteiset terminaalit toistot voivat hybridisoitua ja muodostaa päähäntäkonkatameerejä, mikä lähes kaksinkertaistaa vektorin kapasiteetin.
Villityypin viruksen aiheuttama infektio aiheuttaa usein humoraalisen immuniteetin aktivoitumista . Neutraloivien vasta-aineiden aktiivisuus vähentää joissakin tapauksissa AAV2- serotyypin käyttökelpoisuutta. AAV2 voi myös päästä aivoihin ja on erittäin hermospesifinen .
Tällä hetkellä adeno-assosioituneet viruspohjaiset lääkkeet (vektorit) kystisen fibroosin ja hemofilian hoitoon ovat menossa kliinisten tutkimusten ensimmäiseen vaiheeseen. Parkinsonin taudin vastaisten lääkkeiden kliinisen kokeen ensimmäisestä vaiheesta on saatu lupaavia tuloksia . Muut kliiniset tutkimukset ovat osoittaneet adeno-assosioituneiden virusvektoreiden turvallisuuden Canavanin taudissa , lihasdystrofiassa ja Bilshovsky-Jansky
Sairaus | Gene | Antotapa | Testivaihe | Koehenkilöiden määrä | Tila |
---|---|---|---|---|---|
kystinen fibroosi | CFTR | Keuhkot, aerosoli | minä | 12 | Valmis |
CFTR | Keuhkot, aerosoli | II | 38 | Valmis | |
CFTR | Keuhkot, aerosoli | II | 100 | Valmis | |
Hemofilia B | KORJATA | Lihaksensisäinen | minä | 9 | Valmis |
KORJATA | maksan valtimo | minä | 6 | Valmis | |
Niveltulehdus | TNFR:Fc | nivelensisäinen | minä | yksi | Jatkaa |
perinnöllinen emfyseema | AAT | Lihaksensisäinen | minä | 12 | Jatkaa |
lihassurkastumatauti | Sarkoglykaani | Lihaksensisäinen | minä | kymmenen | Jatkaa |
Parkinsonin tauti | GAD65, GAD67 | kallon sisällä | minä | 12 | Valmis [13] |
Canavanin tauti | AAC | kallon sisällä | minä | 21 | Jatkaa |
Battenin tauti | CLN2 | kallon sisällä | minä | kymmenen | Jatkaa |
Alzheimerin oireyhtymä | NGF | kallon sisällä | minä | 6 | Jatkaa |
spinaalinen lihasatrofia | SMN1 | intratekaalinen | I–III | viisitoista | Useita kokeita suoritettu, useita käynnissä ( Zolgensma ) |
Eturauhassyövän hoitoon liittyvät kliiniset tutkimukset ovat vaiheessa III vuodesta 2005 [12] , mutta nämä ex vivo -tutkimukset eivät sisällä ADV:n suoraa antamista potilaille.
Adenoon liittyvän viruksen ei katsota aiheuttavan sairauksia ihmisille. Tämän viruksen on kuitenkin osoitettu olevan miesten hedelmättömyyden riskitekijä [14] . Adeno-assosioituneiden virusten genominen DNA löytyy siemennestenäytteistä , joiden siittiöiden rakenne ja toiminta on heikentynyt . Suoraa yhteyttä tämän infektion ja miesten hedelmättömyyden välillä ei kuitenkaan ole löydetty.
Viimeaikaiset tutkimukset potilailla, joilla on harvinaisia hepatosellulaarisen karsinooman muotoja, viittaavat siihen, että AAV2-viruksella voi olla rooli tämän syövän laukaisijoissa. Koska AAV2-virus kohdistuu geeneihin, joilla on tärkeä rooli solujen lisääntymisessä, tutkijat uskovat, että infektio johtaa niiden yliaktivoitumiseen, mikä johtaa kasvaimen kasvuun. Tämä löytö kyseenalaistaa AAV2-virusten käytön turvallisuuden geeniterapiassa [15] .
Adeno-assosioituneen viruksen genomi sisältää (+ tai -) yksijuosteisen DNA :n (ssDNA), jonka pituus on noin 4,7 tuhatta nukleotidia. Genomisen DNA-molekyylin päissä on käänteisiä terminaalitoistoja ( ITR :t ) . Genomi sisältää kaksi avointa lukukehystä ( ORF ) : rep ja cap . Ensimmäinen sisältää neljä päällekkäistä geeniä , jotka koodaavat Rep-proteiineja, jotka ovat välttämättömiä viruksen elinkaaren kannalta , toinen lukukehys sisältää päällekkäisiä kapsidiproteiinien nukleotidisekvenssejä : VP1, VP2 ja VP3, jotka muodostavat kapsidin ikosaedrisen pään [16] .
Käänteisten terminaalisten toistojen sekvenssi ( eng. Inverted Terminal Repeat, ITR ) on 145 nukleotidia. ITR:t sijaitsevat symmetrisesti adeno-assosioituneiden virusten genomissa ja niitä tarvitaan genomisen DNA :n replikaatioon [17] . Toinen ITR:n ominaisuuksista on kyky muodostaa hiusneuloja, mikä mahdollistaa DNA:n toisen juosteen synteesin ilman primaasin osallistumista . Käänteisiä terminaalitoistoja tarvitaan myös virus-DNA:n integroitumiseen ihmisen yhdeksännentoista kromosomin tietylle alueelle ja provirus -DNA :n vapautumiseen kromosomista [18] [19] sekä adenoassosioituneiden kompleksien muodostumiseen. virus-DNA, jossa on deoksiribonukleaasiresistenttejä vaippaproteiineja [20] .
Geeniterapian tapauksessa ITR:n on oltava cis-asennossa terapeuttisen geenin jälkeen. Tätä mallia käytetään adeno-assosioituneeseen virukseen ( eng. rekombinantti AAV, rAAV ) perustuvien yhdistelmävektoreiden saamiseksi, jotka sisältävät reportteri- tai terapeuttisia geenejä. On osoitettu, että ITR:itä ei vaadita cis-asennossa replikaatioon ja kapsidin laskostumiseen. Rep- geenin nukleotidisekvenssistä löydettiin cis - toimiva Rep-riippuvainen elementti (CARE ) . Cis-asennossa CARE tehostaa viruspartikkelien replikaatiota ja kokoonpanoa [21] [22] [23] [24] .
Geenit ja proteiinit rep" Genomin vasen puoli " sisältää kaksi promoottoria , p5 ja p19, joista transkriptoidaan kaksi eripituista päällekkäistä mRNA:ta . Jokainen vastaavaa mRNA:ta koodaava geeni sisältää intronin , joka voidaan leikata irti silmukointiprosessin aikana . Tuloksena voidaan syntetisoida neljä erilaista mRNA:ta ja vastaavasti neljä erilaista Rep-proteiinia, joilla on päällekkäiset sekvenssit. Proteiinit nimetään niiden molekyylimassan mukaan kDa :na: Rep78, Rep68, Rep52 ja Rep40 [25] . Rep78 ja 68 sitovat spesifisesti pohjusteena käänteisistä päätetoistoista muodostuneen hiusneulan ja leikkaavat sen sitten pääteresoluutiokohdasta . Rep78:n ja 68:n on osoitettu tarvittavan adeno-assosioituneen viruksen DNA:n spesifiseen integroitumiseen isäntägenomiin. Neljä Rep-proteiinia sitoo ATP:tä ja niillä on helikaasiaktiivisuutta . Nämä proteiinit tehostavat transkriptiota p40-promoottorista, mutta heikentävät transkriptiota p5- ja p19-promoottoreista [19] [25] [26] [27] [28] [29] .
cap -geenit ja VP-proteiinitAdeno-assosioituneen viruksen genomisen DNA :n (+) juosteen "oikea puoli" sisältää päällekkäisiä sekvenssejä, jotka koodaavat kolmea kapsidiproteiinia , VP1, VP2 ja VP3. Näiden geenien transkriptio alkaa yhdestä promoottorista , p40. Vastaavien proteiinien molekyylipaino on vastaavasti 87, 72 ja 62 kDa [30] . Kaikki kolme proteiinia transloidaan samasta mRNA:sta. Transkription jälkeen pre-mRNA voidaan silmukoida kahdella eri tavalla, jolloin pidempi tai lyhyempi introni leikataan pois ja muodostuu 2300 tai 2600 nukleotidin mRNA:ita . Yleensä, erityisesti adenoviruksen läsnä ollessa , pidempi introni leikataan pois. Tässä muodossa ensimmäinen aloituskodoni AUG leikataan pois , josta VP1-proteiinin synteesi alkaa ja VP1-proteiinisynteesin taso laskee. Ensimmäinen kodoni AUG, joka jää jäljelle pidemmän transkriptin tapauksessa, on VP3-proteiinin aloituskodoni. Kuitenkin tätä kodonia edeltävä nukleotidisekvenssi samassa lukukehyksessä sisältää treoniiniaACG koodaavan sekvenssin , jota ympäröi optimaalinen Kozak-sekvenssi . Tämä johtaa VP2-proteiinin synteesin vähenemiseen (joka on VP3-proteiini, jonka N-päässä on ylimääräisiä aminohappotähteitä [31] [32] [33] [34] .
Koska suurempi introni leikataan ensisijaisesti pois pre-mRNA:sta ja koska kodoni ACGon heikompi aloituskodoni, vastaavat proteiinit ilmentyvät in vivo suhteessa noin 1:1:20 ja proteiinit sisältyvät myös viruspartikkeliin. samassa suhteessa [35] . Ainutlaatuisella fragmentilla VP1-proteiinin N-päässä on fosfolipaasi A2 ( PLA2 ) -aktiivisuutta , jota todennäköisesti tarvitaan viruspartikkelien vapautumiseen myöhäisistä endosomeista [36] . Muralidar ym. osoittivat, että VP2- ja VP3-proteiinit ovat välttämättömiä viruspartikkelin kokoamisessa [33] . Warrington ym. osoittivat, että VP2-proteiini ei ole ehdottoman välttämätön viruspartikkelin kokoamiseen, eikä se vaikuta viruksen patogeenisiin ominaisuuksiin. Merkittävät insertiot N-terminaaliseen osaan eivät kuitenkaan vaikuta VP2-proteiinin toimintaan, kun taas insertiot VP1:een vähentävät sen fosfolipaasiaktiivisuutta [ 37] .
VP3-proteiinin kiderakenteen määrittelivät vuonna 2002 Xi ja Bew ym . [38] .
Vuoteen 2006 mennessä oli kuvattu 11 adeno-assosioitunutta viruksen serotyyppiä [39] . Kaikki tunnetut serotyypit voivat infektoida soluja monissa kudostyypeissä . Kudosspesifisyys määräytyy kapsidiproteiinien serotyypin mukaan , joten adeno-assosioituneet virusvektorit suunnitellaan määrittämään haluttu serotyyppi.
Adeno-assosioituneen viruksen serotyyppi 2 on laajimmin tutkittu [40] [41] [42] [43] [44] [45] . Adenoihin liittyvällä viruksen serotyypillä 2 on luonnollinen affiniteetti luurankolihaksiin [46] , hermosoluihin [40] , verisuonten sileään lihakseen [47] ja hepatosyytteihin [48] .
Kolme solureseptoria on kuvattu adeno-assosioituneelle viruksen serotyypille 2: heparaanisulfaattiproteoglykaani (HSPG ) , integriini a Vp5 ja fibroblastikasvutekijäreseptori 1 ( FGFR - 1 ) . Edellinen on ensisijainen reseptori, kaksi jälkimmäistä ovat rinnakkaisreseptoreita ja mahdollistavat adeno-assosioituneen viruksen pääsyn soluun reseptorivälitteisen endosytoosin kautta [49] [50] [51] [52] . HSPG:tä on merkittävästi läsnä ekstrasellulaarisessa aineessa ja se toimii ensisijaisena reseptorina, samalla kun se puhdistaa kehon adeno-assosioituneista viruspartikkeleista ja vähentää infektiotehokkuutta [53] .
Tutkimukset ovat osoittaneet, että adeno-assosioituneen viruksen serotyyppi 2 tappaa syöpäsoluja vahingoittamatta terveitä soluja. "Tutkimuksemme ovat osoittaneet, että adeno-assosioitunut virus tyyppi 2, joka saastuttaa suuren solupopulaation, tappaa monen tyyppisiä syöpäsoluja, mutta ei terveitä soluja", sanoo Craig Meyer , immunologian ja mikrobiologian professori Penn State College of Medicine. Pennsylvania [54] . Nämä tutkimukset voivat johtaa uusien syöpälääkkeiden luomiseen.
Vaikka adeno-assosioituneen viruksen serotyyppi 2 on suosituin serotyyppi tieteellisessä tutkimuksessa, muiden serotyyppien on osoitettu olevan tehokkaampia geeninkuljetusvektoreita . Esimerkiksi adeno-assosioituneen viruksen serotyyppi 6 infektoi paremmin hengitysteiden epiteelisoluja, serotyypin 7 viruksella on erittäin korkea hiiren luustolihassolujen transduktiotaso , serotyypin 8 virus transdusoi hepatosyyttejä hyvin [55] [56] [57] , ja serotyypin 1 ja 5 virukset ovat erittäin tehokkaita ja toimittavat geenejä verisuonten endoteelisoluihin [58] . Adeno-assosioituneen viruksen serotyyppi 6, joka on serotyyppien 1 ja 2 hybridi [57] , on myös alhaisempi immunogeenisyys kuin serotyypin 2 viruksella [56] .
Serotyypit eroavat reseptoreista, joihin ne sitoutuvat. Esimerkiksi serotyyppien 4 ja 5 virusten transduktio voidaan estää siaalihappoliuoksella [59] , kun taas serotyypin 5 virus pääsee soluihin verihiutaleiden kasvutekijäreseptorin kautta [60] .
Adeno-assosioitunut virus on erityisen kiinnostava geeniterapiassa, koska sen kyky indusoida immuunivastetta ihmisissä on rajallinen. Tämä viruksen ominaisuus tekee siitä erityisen sopivan transduktioon , koska se vähentää immuunisairauksien riskiä.
Eläimillä on luontainen immuunivaste adeno-assosioituneelle virukselle. Viruksen suonensisäinen anto hiirille aiheuttaa tulehduksellisten sytokiinien tuotantoa , neutrofiilien ja muiden leukosyyttien tunkeutumista maksaan , mikä näyttää vähentävän merkittävästi injektoitujen viruspartikkelien määrää [61] .
On osoitettu, että virus voi aiheuttaa humoraalisen vasteen sekä eläimissä että ihmisissä. Jopa 80 % ihmispopulaatiosta on seropositiivisia serotyyppi 2. On osoitettu, että neutraloivat vasta -aineet voivat vähentää adeno-assosioituneiden virusvektorien transduktiota useilla antoreitillä [62] .
Solujen immuunivastetta virukselle ja viruksesta peräisin oleville vektoreille ei ymmärretty hyvin ennen vuotta 2005 [62] . Kliiniset tutkimukset vektorilla, joka perustuu adenoassosioituneen viruksen serotyyppiin 2 hemofilia B:n hoitoon, ovat osoittaneet, että transdusoituneiden solujen tuhoutuminen voi tapahtua [63] . Tutkimukset ovat osoittaneet, että CD8+ T-lymfosyytit voivat tunnistaa adeno-assosioituneen viruksen kapsidin elementtejä in vitro [64] , mikä osoittaa sytotoksisen vasteen mahdollisuuden vektoreille suhteessa T- lymfosyytteihin . Nämä tutkimukset ovat kuitenkin epätäydellisiä, eikä tällaisen sytotoksisen vasteen mahdollisuutta ole täysin tutkittu.
Adeno-assosioituneen viruksen elinkaaressa soluinfektion vaiheesta uusien viruspartikkelien muodostumiseen voidaan erottaa useita vaiheita:
Jotkut näistä vaiheista voivat vaihdella solutyypin mukaan. Viruksen DNA:n replikaation parametrit voivat myös vaihdella samantyyppisten solujen välillä riippuen solusyklin vaiheesta [65] .
Adeno-assosioitunut virus ei pysty replikoitumaan soluissa, jotka eivät ole adenoviruksilla infektoituneita . Tämä viruspartikkelien muodostumisen ominaisuus osoittaa, että adeno-assosioitunut virus on peräisin adenoviruksista. Adeno-assosioituneen viruksen DNA:n replikaation on osoitettu helpottavan tiettyjen proteiinien läsnä ollessa adenoviruksista [66] [67] tai muista viruksista, kuten herpes simplex [68] tai genotoksisista aineista, kuten ultraviolettisäteilystä tai hydroksiureasta [69] [70 ]. ] [71] .
Matsushita ja Ellinger ym . [66] kuvasivat adenovirusgeenien vähimmäisjoukon, joka vaaditaan adeno-assosioituneiden virusten lisääntymiseen . Tämä löytö mahdollisti yhdistelmä-adeno-assosioituneiden virusten luomisen, jotka eivät vaadi yhteisinfektiota adenoviruksen kanssa. Auttajavirusten tai genotoksisten tekijöiden puuttuessa adeno-assosioitunut virus-DNA voidaan liittää isäntägenomiin episomaalisessa muodossa. Ensimmäisessä tapauksessa Rep78- ja Rep68-proteiinit suorittavat integraation isäntägenomiin, ja se vaatii käänteisten terminaalisten toistojen ( ITR ) läsnäolon, jotka reunustavat insertoitua sekvenssiä . Hiirillä adeno-assosioitunut virusgenomi voi sijaita episomina (pyöreä DNA, pää-häntä-suuntaus) jakautumattomissa kudoksissa – esimerkiksi luurankolihaksessa [72] .