adeno-associerat virus | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Adeno-associerade virus | ||||||||
vetenskaplig klassificering | ||||||||
Grupp:Virus [1]Rike:MonodnaviriaRike:ShotokuviraeSorts:cossaviricotaKlass:QuintoviricetesOrdning:PiccoviralesFamilj:ParvovirusUnderfamilj:ParvovirinaeSläkte:DependoparvovirusSe:adeno-associerat virus | ||||||||
Internationellt vetenskapligt namn | ||||||||
Adeno-associerat dependoparvovirus A | ||||||||
Synonymer | ||||||||
Baltimore-gruppen | ||||||||
II: ssDNA-virus | ||||||||
|
Adeno-associerat virus ( eng. Adeno-associerat dependoparvovirus A , AAV) är ett litet virus som infekterar celler hos människor och vissa andra primater . Det adenoassocierade viruset verkar inte orsaka sjukdom hos människor och framkallar därför ett svagt immunsvar.
Adeno-associerat virus kan infektera delande och icke-delande celler och kan integrera sitt genom i värdgenomet. Dessa egenskaper gör AAV till en särskilt attraktiv kandidat för design av virala vektorer för genterapi [4] .
Adeno-associerat virus tillhör släktet Dependoparvovirus av parvovirusfamiljen ( Parvoviridae ) . Viruset är litet (20 nm), har inget lipidhölje och kodar inte för sina egna replikationsenzymer .
1965 publicerade Robert Atchison en artikel som beskrev ett nytt virus som kallas adenoassocierat virus [5] . Viruspartiklar har upptäckts med elektronmikroskopi i apadenoviruspreparat som har transplanterats flera gånger på primära njurcellskulturer från rhesusapa . Atchison-gruppen separerade 24 nm-partiklar av det nya viruset från större 80 nm adenoviruspartiklar med hjälp av ultrafiltrering [6] .
Efter isolering visades det att partiellt renade adeno-associerade virusvirioner inte kan replikera på egen hand , men kan replikera och spridas i adenovirus-infekterade kulturer . Det adenoassocierade viruset visade sig således vara ett defekt följeslagningsvirus som behöver ett hjälpvirus för fullständig replikation. Eftersom det adenoassocierade viruset inte kodar för sitt eget DNA-polymeras , kräver det ett hjälpvirus, vanligtvis ett adenovirus, för att replikera [7] .
I juli 2013, som ett resultat av en revidering av familjen, slogs fyra närbesläktade arter samman till en, vilket ändrade namnet på släktet till Dependoparvovirus , och namnet på arten till Adeno-associerat dependoparvovirus A [3] .
Vildtyp adenoassocierat virus har vissa fördelar för genterapi . En av de största fördelarna är att detta virus inte är patogent . Adeno-associerat virus kan infektera icke-delande celler och kan integreras i värdgenomet på specifika platser (AAVS1) på den nittonde kromosomen [8] .
Denna funktion gör adeno-associerade virus mer förutsägbara än retrovirus . Retrovirus är potentiellt farliga som mutagener , eftersom de slumpmässigt sätts in i värdgenomet, vilket kan leda till uppkomsten av cancertumörer. Det adenoassocierade virusgenomet sätts vanligtvis in på ett specifikt ställe, och slumpmässiga insättningar sker med försumbar frekvens. När man skapar vektorer för genterapi baserade på adenoassocierat virus tas rep- och cap -generna bort från det virala DNA:t . Den önskade genen, tillsammans med promotorn , infogas mellan inverterade terminala upprepningar ( inverterade terminala upprepningar, ITR) , som ett resultat av vilka konkatamerer bildas i kärnan efter syntesen av den andra DNA- strängen av det cellulära DNA-polymeraset . Vektorer för genterapi baserade på adenoassocierade virus bildar episomala konkatamerer i värdcellens kärna. I icke-delande celler förblir dessa konkatamerer intakta; i delande celler går adenoassocierat virus-DNA förlorat under celldelningar, eftersom episomalt DNA inte replikeras under värdcell- DNA-replikation . Oavsiktlig insättning av adenoassocierat virus-DNA i värdgenomet är mycket sällsynt. Adeno-associerat virus har också mycket låg immunogenicitet , uppenbarligen begränsad av den låga effektiviteten av att producera neutraliserande antikroppar , medan det senare inte tydligt har visats vara cytotoxiskt [9] [10] [11] . De beskrivna egenskaperna, såväl som förmågan att infektera icke-delande celler, bestämmer fördelarna med adenoassocierat virus framför adenovirus för genterapi.
Användningen av adenoassocierat virus har också vissa nackdelar. Kapaciteten hos virusgenomet som är tillgängligt för kloning av terapeutiska gener är endast cirka 4800 baspar . Således är denna vektor inte lämplig för kloning av stora gener. De inverterade terminala upprepningarna av de två genomen kan hybridisera och bilda huvud-svanskonkatamerer, vilket nästan fördubblar vektorns kapacitet.
Infektion med vildtypsvirus orsakar ofta aktivering av humoral immunitet . Aktiviteten hos neutraliserande antikroppar minskar i vissa fall användbarheten av AAV2- serotypen . AAV2 kan också komma in i hjärnan och är mycket neuronspecifik .
För närvarande genomgår adenoassocierade virusbaserade läkemedel (vektorer) för behandling av cystisk fibros och hemofili det första steget av kliniska prövningar. Lovande resultat har erhållits från den första fasen av kliniska prövningar för läkemedel mot Parkinsons sjukdom . Andra kliniska prövningar har visat säkerheten hos adenoassocierade virusvektorer vid Canavans sjukdom , muskeldystrofi och Bilshovsky-
Kliniska prövningar av vektorer baserade på den adenoassocierade virala vektorn [12]Sjukdom | Gen | Administreringssätt | Testfas | Antal försökspersoner | Status |
---|---|---|---|---|---|
cystisk fibros | CFTR | Lungor, aerosol | jag | 12 | Avslutad |
CFTR | Lungor, aerosol | II | 38 | Avslutad | |
CFTR | Lungor, aerosol | II | 100 | Avslutad | |
Hemofili B | FIXERA | Intramuskulär | jag | 9 | Avslutad |
FIXERA | leverartären | jag | 6 | Färdiga | |
Artrit | TNFR:Fc | intraartikulärt | jag | ett | Fortsätta |
ärftligt emfysem | AAT | Intramuskulär | jag | 12 | Fortsätta |
muskeldystrofi | Sarkoglykan | Intramuskulär | jag | tio | Fortsätta |
Parkinsons sjukdom | GAD65, GAD67 | inuti skallen | jag | 12 | Slutförd [13] |
Canavan sjukdom | AAC | inuti skallen | jag | 21 | Fortsätta |
Battens sjukdom | CLN2 | inuti skallen | jag | tio | Fortsätta |
Alzheimers syndrom | NGF | inuti skallen | jag | 6 | Fortsätta |
spinal muskelatrofi | SMN1 | intratekal | I–III | femton | Flera försök slutförda, flera pågående ( Zolgensma ) |
Kliniska prövningar för behandling av prostatacancer är i stadium III från och med 2005 [12] , men dessa ex vivo-studier inkluderar inte direkt administrering av ADV till patienter.
Adeno-associerat virus anses inte orsaka sjukdom hos människor. Detta virus har dock visat sig vara en riskfaktor för manlig infertilitet [14] . Det genomiska DNA från adenoassocierade virus finns i spermaprover med nedsatt struktur och funktion hos spermier . Däremot har inget direkt samband hittats mellan denna infektion och manlig infertilitet.
Nyligen genomförda studier av patienter med sällsynta former av hepatocellulärt karcinom tyder på att AAV2-viruset kan spela en roll i utlösare av denna cancer. Eftersom AAV2-viruset riktar sig mot gener som spelar en viktig roll i cellreproduktion, tror forskarna att infektion leder till överaktivering av dem, vilket resulterar i tumörtillväxt. Denna upptäckt ifrågasätter säkerheten med att använda AAV2-virus för genterapi [15] .
Genomet av det adenoassocierade viruset innehåller (+ eller -) enkelsträngat DNA (ssDNA) med en längd på cirka 4,7 tusen nukleotider. I ändarna av den genomiska DNA-molekylen finns det inverterade terminala upprepningar ( ITR ) . Genomet innehåller två öppna läsramar ( ORFs ) : rep och cap . Den första innehåller fyra överlappande gener som kodar för Rep-proteiner, vilka är nödvändiga för virusets livscykel , den andra läsramen innehåller överlappande nukleotidsekvenser av kapsidproteiner : VP1, VP2 och VP3, som bildar kapsidens ikosaedriska huvud [16] .
Sekvensen av inverterade terminala upprepningar ( eng. Inverted Terminal Repeat, ITR ) är 145 nukleotider. ITR är symmetriskt belägna i genomet av adenoassocierade virus och krävs för genomisk DNA- replikation [17] . En annan av egenskaperna hos ITR är förmågan att bilda hårnålar, vilket möjliggör syntes av den andra DNA-strängen utan deltagande av primas . Inverterade terminala upprepningar krävs också för integrering av viralt DNA i en specifik region av den nittonde mänskliga kromosomen och för frisättning av provirus -DNA från kromosomen [18] [19] såväl som för bildandet av komplex av adenoassocierade virus-DNA med deoxiribonukleasresistenta höljeproteiner [20] .
Vid genterapi måste ITR vara i cis-position efter den terapeutiska genen. Detta mönster används för att erhålla rekombinanta vektorer baserade på adenoassocierat virus ( eng. rekombinant AAV, rAAV ) innehållande reportergener eller terapeutiska gener. Det har visats att ITR:er inte krävs i cis-position för replikering och kapsidveckning. Ett cis -verkande Rep-beroende element (CARE ) hittades i nukleotidsekvensen av rep-genen . I cis-position förbättrar CARE replikationen och sammansättningen av viruspartiklar [21] [22] [23] [24] .
Gener och proteiner repDen "vänstra sidan av genomet " innehåller två promotorer , p5 och p19, från vilka två överlappande mRNA av olika längd transkriberas . Varje gen som kodar för motsvarande mRNA innehåller ett intron som kan skäras ut under splitsningsprocessen . Som ett resultat kan fyra olika mRNA syntetiseras, och följaktligen fyra olika Rep-proteiner med överlappande sekvenser. Proteiner namnges enligt deras molekylära massor i kDa : Rep78, Rep68, Rep52 och Rep40 [25] . Rep78 och 68 binder specifikt som en primer till en hårnål som bildas av inverterade terminala upprepningar och skär den sedan vid terminalupplösningsstället . Rep78 och 68 har visat sig behövas för den specifika integrationen av adenoassocierat virus-DNA i värdgenomet. Fyra Rep-proteiner binder ATP och har helikasaktivitet . Dessa proteiner förbättrar transkriptionen från p40-promotorn, men försvagar transkriptionen från p5- och p19-promotorerna [19] [25] [26] [27] [28] [29] .
cap- gener och VP-proteinerDen "högra sidan" av (+)- strängen av det adenoassocierade virusgenomiska DNA :t innehåller överlappande sekvenser som kodar för tre kapsidproteiner , VP1, VP2 och VP3. Transkription av dessa gener startar från en enda promotor , p40. Molekylvikten för motsvarande proteiner är 87, 72 respektive 62 kDa [ 30] . Alla tre proteinerna översätts från samma mRNA. Efter transkription kan pre-mRNA splitsas på två olika sätt, varvid en längre eller kortare intron skärs ut och mRNA på 2300 eller 2600 nukleotider bildas . Vanligtvis, speciellt i närvaro av adenovirus , skärs ett längre intron ut. I denna form skärs det första startkodonet AUG ut , från vilket syntesen av VP1-proteinet börjar, och nivån av VP1-proteinsyntesen minskar. Det första kodonet AUGsom finns kvar i fallet med ett längre transkript är startkodonet för VP3-proteinet. Nukleotidsekvensen som föregår detta kodon inom samma läsram innehåller emellertid sekvensen som ACGkodar för treonin , som är omgiven av den optimala Kozak-sekvensen . Detta leder till en minskning av syntesen av VP2-proteinet (som är ett VP3-protein med ytterligare aminosyrarester vid N-terminalen [31] [32] [33] [34] .
Eftersom det större intronet företrädesvis skärs ut från pre-mRNA:t och eftersom kodonet ACGär ett svagare startkodon, uttrycks motsvarande proteiner in vivo i ett förhållande av ungefär 1:1:20, och proteinerna ingår också i den virala partikeln i samma förhållande [35] . Ett unikt fragment vid N-terminalen av VP1-proteinet har fosfolipas A2 ( PLA2 ) aktivitet , vilket förmodligen krävs för frisättning av viruspartiklar från sena endosomer [36] . Muralidar et al visade att VP2- och VP3-proteinerna är viktiga för sammansättningen av en viral partikel [33] . Warrington et al visade att VP2-proteinet inte är strikt nödvändigt för sammansättningen av en viral partikel och inte heller påverkar det virusets patogena egenskaper. Funktionen av VP2-proteinet påverkas dock inte av signifikanta insättningar i den N-terminala delen, medan insättningar i VP1 minskar dess fosfolipasaktivitet [ 37] .
Kristallstrukturen av VP3-proteinet bestämdes 2002 av Xi och Bew et al [38] .
År 2006 hade 11 adenoassocierade virusserotyper beskrivits [ 39] . Alla kända serotyper kan infektera celler i många vävnadstyper . Vävnadsspecificitet bestäms av serotypen för kapsidproteinerna , så adenoassocierade virusvektorer är utformade för att specificera den önskade serotypen.
Adeno-associerat virus serotyp 2 har varit den mest omfattande studerade [40] [41] [42] [43] [44] [45] . Adeno-associerat virus serotyp 2 har en naturlig affinitet för skelettmuskulatur [46] , neuroner [40] , vaskulär glatt muskulatur [47] och hepatocyter [48] .
Tre cellulära receptorer har beskrivits för adenoassocierat virus serotyp 2: heparansulfatproteoglykan (HSPG ) , integrin a Vβ5 och fibroblasttillväxtfaktorreceptor 1 ( FGFR - 1 ) . Den förra är den primära receptorn, de två senare är co-receptorer och tillåter adenoassocierat virus att komma in i cellen genom receptormedierad endocytos [49] [50] [51] [52] . HSPG är signifikant närvarande i den extracellulära substansen och fungerar som en primär receptor, samtidigt som den rensar kroppen från adenoassocierade viruspartiklar och minskar infektionseffektiviteten [53] .
Studier har visat att adeno-associerat virus serotyp 2 dödar cancerceller utan att skada friska celler. "Våra studier har visat att adenoassocierat virus typ 2, som infekterar en stor population av celler, dödar många typer av cancerceller men inte friska celler", säger Craig Meyer , professor i immunologi och mikrobiologi vid Penn State College of Medicine i Pennsylvania [54] . Dessa studier kan leda till skapandet av nya läkemedel mot cancer.
Även om adenoassocierat virus serotyp 2 är den mest populära serotypen inom vetenskaplig forskning, har andra serotyper visat sig vara mer effektiva genleveransvektorer . Till exempel är adenoassocierat virus serotyp 6 bättre på att infektera epitelceller i luftvägarna, serotyp 7-virus har en mycket hög nivå av transduktion av musskelettmuskelceller, serotyp 8-virus transducerar hepatocyter bra [55] [56] [57] , och virus av serotyp 1 och 5 är mycket effektiva och levererar gener till vaskulära endotelceller [58] . Adeno-associerat virus serotyp 6, som är en hybrid av serotyp 1 och 2 [57] , har också lägre immunogenicitet än serotyp 2-virus [56] .
Serotyper skiljer sig åt i de receptorer som de binder till. Till exempel kan transduktion av virus av serotyp 4 och 5 inhiberas av sialinsyralösning [59] , medan virus av serotyp 5 kommer in i celler genom trombocyttillväxtfaktorreceptorn [60] .
Adeno-associerat virus är av särskilt intresse för genterapi på grund av dess begränsade förmåga att inducera ett immunsvar hos människor. Denna egenskap hos detta virus gör det särskilt lämpligt för transduktion , eftersom det minskar risken för immunpatologier.
Djur visar ett medfött immunsvar mot adenoassocierat virus. Intravenös administrering av viruset till möss orsakar produktion av inflammatoriska cytokiner , infiltration av neutrofiler och andra leukocyter i levern , vilket tycks minska antalet injicerade viruspartiklar avsevärt [61] .
Det har visat sig att viruset kan orsaka en humoral respons hos både djur och människor. Upp till 80 % av den mänskliga populationen är seropositiva av serotyp 2. Det har visats att neutraliserande antikroppar kan minska transduktionen av adenoassocierade virusvektorer genom flera administreringsvägar [62] .
Det cellulära immunsvaret mot viruset och vektorer som härrörde från viruset var inte väl förstått förrän 2005 [62] . Kliniska studier av en vektor baserad på adenoassocierat virus serotyp 2 för behandling av hemofili B har visat att destruktion av transducerade celler kan ske [63] . Studier har visat att CD8+ T-lymfocyter kan känna igen element av den adenoassocierade viruskapsiden in vitro [64] , vilket indikerar potentialen för ett cytotoxiskt svar på vektorer i förhållande till T- lymfocyter . Dessa studier är dock ofullständiga och möjligheten till ett sådant cytotoxiskt svar har inte undersökts fullt ut.
I livscykeln för ett adenoassocierat virus, från stadiet av cellinfektion till bildandet av nya viruspartiklar, kan flera stadier urskiljas:
Vissa av dessa steg kan skilja sig beroende på celltyp. Parametrarna för viral DNA-replikation kan också skilja sig åt mellan celler av samma typ, beroende på stadiet av cellcykeln [65] .
Adeno-associerat virus kan inte replikera i celler som inte är infekterade med adenovirus . Denna egenskap av att bilda virala partiklar indikerar att adenoassocierat virus härstammar från adenovirus. Adenoassocierad virus-DNA-replikation har visat sig underlättas i närvaro av vissa proteiner från adenovirus [66] [67] eller andra virus såsom herpes simplex [68] eller genotoxiska medel som ultraviolett strålning eller hydroxiurea [69] [70 ] [71] .
Den minsta uppsättningen av adenovirusgener som krävs för förökning av adenoassocierade virus beskrevs av Matsushita och Ellinger et al .[66] . Denna upptäckt möjliggjorde skapandet av rekombinanta adenoassocierade virus som inte kräver samtidig infektion med adenovirus. I frånvaro av hjälparvirus eller genotoxiska faktorer kan adenoassocierat virus-DNA infogas i värdgenomet i episomal form. I det första fallet utförs integrering i värdgenomet av Rep78- och Rep68-proteinerna och kräver närvaron av inverterade terminala upprepningar ( ITR ) som flankerar den infogade sekvensen . Hos möss kan det adenoassocierade virusgenomet finnas som en episom (cirkulärt DNA, huvud-till-svans-orientering) i icke-delande vävnader - till exempel i skelettmuskulaturen [72] .