HI-viiruse päritolu ja bioloogia

HI-viiruse päritolu ja bioloogia Maarja Adojaan, Andres Männik, Rein Sikut HIVi päritolu HIVi päritolu on väga põhjalikult uuritud: lentiviiruste fülogeneetiline analüüs näitab, et mõlemad HIVi tüübid, nii HIV-1 kui ka HIV-2 on inimesele üle kandunud ahvidelt. HIV-1 lähim sugulane on ekvatoriaalses Lääne-Aafrikas (Kamerun, Gabon, Ekvatoriaal-Guinea) elaval šimpansi alamliigil tšegošimpansil (Pan troglodytes troglodytes) esinev SIVcpz (simian immunodeficiency virus); samas kui HIV-2 on tõenäoliselt üle kandunud hallmangabeilt (Cercocebus atys, SIVsm). Viiruse ülekanne ahvilt inimesele on toimunud korduvalt, HIV-1 puhul vähemalt 3 korral (vastavalt on tekkinud HIV-1 M, N ja O grupid), HIV-2 puhul vähemalt 4 korral. Tänu retroviiruste võimele rekombineeruda, on nende päritolu väljaselgitamine üsna komplitseeritud näiteks inimesele ülekandunud šimpansi SIVcpz viirus on arvatavasti tekkinud kaelusmangabeil (Cercocebus torquatus) esineva SIVrcm viiruse ja rohepärdikut nakatava (Cercopithecus nictitans) SIVgsn-i rekombineerumisel. Neil pärdikutel esinevad vastavad SIV viirused sattusid šimpansidele tänu viimaste röövtoidulisusele (Bailes et al. 2003, Rambaut 2004). Šimpansidelt inimesele ülekanne toimus jällegi analoogiliselt tänu Kesk- ja Lääne-Aafrikas laialt levinud ahviliha (nn. bushmeat) söömisele (millele eelneb küttimine, liha töötlemine, turul müümine) ja ahvide pidamisele lemmikloomana. Arvestades, et vähemalt 17% turul müüdavast ahvilihast on nakatunud SIViga, pole ime, et SIV nii mitmel korral inimesele üle on kandunud (Peeters et al., 2002). Siinkohal lihtsustatud retsept HI viiruse tekitamiseks: võta kahe pärdiku liha (mis kannavad SIVrcm ja SIVgsn viiruseid), sööda seda šimpansile, seejärel oota paar aastat ja söö omakorda see šimpans ära. Vähemalt 30 Aafrika primaadiliiki kannab SIV nakkust ja mitte ühelgi ei põhjusta SIV nähtavaid haigustunnuseid. See viitab sellele, et nad on kohastunud selle viirusega koos eksisteerima ja/või viirus on muutunud 68

evolutsiooni käigus peremehe suhtes vähem agressiivseks. Lõuna- Aafrika ja Aasia ahvidel SIVi leitud ei ole. HIVi pandeemia ajalugu Praegune HIV-i pandeemia algas arvatavasti 1970ndate lõpus; 1980ndaks aastaks oli HIV levinud juba vähemalt viiele kontinendile, nakatunuid võis olla 100000-300000. Erinevaid sümptomeid hakati ühe haigustekitajaga seostama, kui aastatel 1979-1981 märgati ebatavaliste viirusnakkuste ja vähivormide arvu äkilist kasvu San Francisco ja New Yorgi geimeeste seas. 1983. aastal isoleeriti HIV-1 viirus esmakordselt Prantsusmaal, aasta hiljem USAs. Arvatakse, et HIV-1-ga nakatus inimene tegelikult esimest korda umbes 70 aastat tagasi 1930ndatel ja HIV-2-ga umbes 60 aasat tagasi. Vanim säilinud plasmaproov on pärit 1959. aastal Kongos elanud mehelt. Juba varastest proovidest isoleeritud viiruste seas on täheldatav varieeruvus olenevalt sellest, millist HIVi geeni sekveneerida, võib see eri isolaatide vahel ulatuda 10%-30%-ni. Neid, fülogeneetiliselt üksteisest ühekaugusel asetsevaid liine hakati nimetama subtüüpideks, mis tähistati alfabeetiliselt ja neid on identifitseeritud 9 (A, B, C, D, F, G, H, J, K). Subtüübid tekkisid arvatavasti väikestest nn. founder-populatsioonidest. Neis piirkondades, kus viirus kauem levida on saanud, esineb ka kõige suurem varieeruvus erinevate tüvede vahel Kesk-Aafrikas on olemas peaaegu kõik võimalikud HIV-1 ja HIV-2 tüübid. Arvatakse, et lähima 20 aasta jooksul kaob selline pilt, kus eri subtüübid on piirkonnaspetsiifilised B on USAs ja Euroopas, A Venemaal ja C Lõuna-Aafrikas, Hiinas ja Indias ning selle asemel on paljudes piirkondades mosaiikse genoomiga viirused ehk CRFid (circulating recombinant form). Praeguseks on teada vähemalt 30 erinevat CRFi, on leitud isegi HIV-1 ja HIV-2 hübriide. Lisaks on neis piirkondades, kus paralleelselt ringleb mitu erinevat subtüüpi, väga levinud unikaalsed rekombinantsed vormid sellised mosaiikse genoomiga tüved, mis tekivad ühe inimese sees, kuid ei ole võimelised järgmisele inimesele üle kanduma. HIV-1 muutlikuse molekulaarsed alused Subtüüpide paljusus ning mosaiiksete genoomidega viiruste levik tuleneb otseselt HI viiruse genoomi muutlikkusest, mis on erakordselt 69

suur mitte ainult rakulise DNA muutlikkusega võrreldes, vaid isegi suhteliselt muutlike RNA viiruste (nt. gripiviirus) hulgas. Selle nähtuse põhjuseid tuleb otsida HI-viiruse elutsükli ja genoomi replikatsiooni iseärasustest. Nagu kõik retroviirused, mille üheks alamrühmaks on lentiviirused, kasutab HIV oma RNA genoomi (grna) paljundamiseks DNA proviiruse vahevormi. Rakku nakatav HIVi osake sisaldab kahte grna molekuli. Pärast viiruse sisenemist rakku kasutab viiruse päritolu ensüüm, pöördtranskriptaas, grna-d matriitsina, et tõlkida see DNA proviiruse järjestuseks, mis seejärel integreeritakse raku genoomi. Sarnaselt rakulise RNA ja valgusünteesiga järgneb viiruse RNAde ja valkude süntees rajas DNA RNA valk, mille läbiviimiseks kasutatakse vastavaid raku masinavärke. Elutsükli lõpuks pakitakse uued, kahte RNA genoomi sisaldavad viirusosakesed, mis väljutatakse rakust. Minimaalne aeg, mis sellise tsükli läbimiseks kulub, on kõigest pisut rohkem kui 1 ööpäev ning nakatunud inimese kehas võidakse selle aja jooksul toota enam kui 10 10 viirusosakest (Perelson et al., 1996). Millises elutsükli etapis tekivad muutused viiruse genoomis? On leitud, et HIVi pöördtranskriptaasi poolt katalüüsitavas sünteesis grna proviiruse DNA tekib suhteliselt palju vigu (nukleotiidide asendusi, kadusid ja lisandusi). Erinevatel andmetel tekib 10 4 nukleotiidi pikkuse grna tõlkimisel DNA proviiruseks keskmiselt 0.3-6 viga. Võrdluseks võib siinkohal tuua meie enda rakulise DNA kopeerimise täpsuse, kus tekib vaid 1 viga 10 9-10 10 nukleotiidi kohta. Sellise drastilise erinevuse peamiseks põhjuseks on asjaolu, et erinevalt rakulise DNA sünteesist puuduvad HIVi grna DNA kopeerimisel kontrollmehhanismid, mis tunneksid ära tekkinud vigu ning algataksid nende parandamise. Siiski on HIV pöördtranskriptaas üsna eriline ka omataoliste seas, tehes 10-100 korda enam vigu kui paljud teised viiruselised pöördtranskriptaasid, mille puhul samuti puudub vigade paranduse mehhanism. Võttes arvesse ka eelpool toodud viiruse elutsükli kiirust ja produtseeritavate viirusosakeste suurt hulka, on selline vigaderohke süntees arvestatav muutlikkuse tekitaja. Kindlasti on paljude tekkinud mutatsioonide avaldumise mõju viiruse levikule ja patogeneesile neutraalne või on tulemuseks mittefunktsionaalsed variandid, mis edasi levida ei suuda. Samas pole kahtlust, et HI-viiruse erakordne geneetiline muutlikkus pakub pidevalt 70

välja uusi variante, millel on roll viiruse pideval kohanemisel. Kas mõni replikatsiooni käigus tekkinud mutantne viirus saab eelise, sõltub selektiivsetest mõjuritest. Kui organismi immuunvastus avaldab survet viiruse levikule, saavad eelise nn. immuunpõgenikud, mis suudavad seda vältida. Need mutandid kannavad selliseid mutatsioone viirusvalkude järjestustes, mis muudavad nad mõnele immuunsüsteemi komponendile nähtamatuks. Sellest tulenev immuunsüsteemi kontrolli nõrgenemine võib kaasa tuua mõne juhuslikult tekkinud immuunpõgeniku eelistatud paljundamise ning plahvatusliku leviku kehas. Sarnaselt võib selekteerivaks mõjuriks olla ka näiteks viirusevastaste ravimite toime. Paljudel juhtudel on üksiku aminohappe muteerumine viiruse valgus piisav, et tekiks resistentsus mingi konkreetse ravimi suhtes ja sellise viirusevariandi poolt põhjustatud nakkust pole vastava ravimiga enam võimalik pärssida. Lisaks pöördtranskriptaasi vigasele sünteesile on HIVi genoomi puhul oluliseks muutlikkuse allikaks ka rekombinatsioon. Sarnaselt mõnedele teistele viirusnakkustele pole ka HIVi puhul takistatud korduv nakatumine. Seetõttu on võimalik, et rakku nakatab kaks viirusosakest, millest üks kuulub näiteks subtüüpi A ja teine subtüüpi B. Nakatumine ei pea sealjuures toimuma täpselt üheaegselt. Rekombinatsiooni eelduseks on olukord, kus nii A kui B proviirused on integreeritud raku genoomi, toimub eelpoolkirjeldatud tsükkel, mis kulmineerub uute viirusosakeste vabanemisega. Uute viirusosakeste pakkumisel kahekaupa uutesse partiklitesse ei ole teada mingit mehhanismi, mis paneks näiteks mõlemad A genoomi molekulid tingimata ühte partiklisse. Pigem on põhjust arvata, et see protsess on täiesti juhuslik. Seega vabaneb kahe viiruse subtüübiga nakatunud rakust ka kimäärseid viirusosakesi, mis sisaldavad ühte A ja ühte B RNA genoomi. Kui kimäärne viirus nakatab järgmist rakku, tekibki võimalus viiruse genoomi rekombinatsiooniks, sest lisaks suurele vigade sagedusele on HIVi pöördtranskriptaasil veel üks omapära, mis soodustab just rekombinatsioonilist muutlikust. Nimelt on kindlaks tehtud, et ühe proviiruse DNA molekuli sünteesi käigus vahetab pöördtranskriptaas mõnikord matriitsi, kasutades alguses ühte ning hüpates poole töö ajal teisele sama viirusosakesega rakku sisenenud grna-le. Loomulikult 71

pole matriitsi vahetusel proviiruse järjestusele olulist mõju, kui kaks matriitsi on identsed või väga sarnased, kuid kimäärsete viirusosakeste puhul tekivad mosaiiksed proviirused ja uued mosaiiksed genoomid. HIV-1 epideemia Eestis Enne 2000. aastat esines Eestis HIVi väga vähesel määral ja see oli sisse toodud Lääne-Euroopast. Valdav oli B subtüüp, nakatumiseviis oli seksuaalne. 2000. a. suvel leiti esimesed nakatunud süstivate narkomaanide seas ja tänu levikuviisile kasvas HIV positiivsete inimeste arv plahvatuslikult. Sama oli juhtunud juba mitmetes endistes lõunapoolsetes liiduvabariikides (alustades Ukrainast 1996. a.). Praeguseks on Eestis täiskasvanud elanikkonnast nakatunuid 1%, mis on kõrgeim osakaal kogu Euroopas, edestades vähemalt mõni aeg tagasi väidetavalt isegi Venemaad. Valdavalt levis Venemaal, Ukrainas, Valgevenes, Moldovas jt. SRÜ riikides HIV-1 A subtüüp, seega oleks olnud ootuspärane, kui ka Eesti epideemiat põhjustanuks subtüüp A viirused. Üllatuslikult on selgunud, et ligi 80% Eesti HIV positiivsetest kannab hoopis mosaiikse genoomiga, seni vaid Kesk-Aafrikas identifitseeritud viiruse tüüpi CRF06_cpx (Adojaan et al. 2005). Eestis esinevad viiruseisolaadid on väga väikese muutlikkusega, mis lubab üsna kindlalt väita, et epideemia on alguse saanud ühest allikast. Lisaks CRF06_cpx viirustele on Eestis vähesel arvul leitud ka subtüüpi A kuuluvaid viirusi, lisaks veel märkimisväärsel hulgal (15%) A ja CRF06_cpx-i rekombinante. Kuidas see eksootiline viiruse tüüp siia sattus, pole teada mujalt Euroopast on seda leitud vaid üksikutelt nakatunutelt. Igal juhul sattus see isolaat siin soodsale pinnale, sest süstivate narkomaanide arvu järsk tõus võimaldas ka viirusel jõudsasti levida. Kuidas ravitakse HIVi Ainuke toimiv ravi HI-viiruse leviku kontrolli all hoidmiseks organismis on käesoleval ajal retroviiruse vastane keemiaravi (nn. HAART - highly active antiretroviral therapy). See seisneb mitmete keemiliste ainete kasutamises, mis pärsivad HI-viiruse erinevaid protsesse (pöörd-transkriptsiooni, valkude proteolüütilist töötlemist, proviiruse integratsiooni kromosoomidesse). Esimene ravim, mida 72

inimestel hakati katsetama, oli Zidovudine (AZT). See ravim kujutas endast nukleosiidi analoogi, mida viiruse pöördtranskriptaas lülitab küll sünteesitava DNA ahela koostisse, kuid mis ei lase seejärel DNA ahelal enam pikeneda. See ravim ja ka mitmed teised nukleosiidsed pöördtranskriptaasi inhibiitorid olid suhteliselt vähe-efektiivsed ja ravi käigus tekkis tõsiseid kõrvaltoimeid. Oluline läbimurre saabus 1995. aastal, kui võeti kasutusele uus klass ravimeid proteaasi inhibiitorid mis takistavad sünteesitud viiruslike eellasvalkude lõplikku valmimist. 1995. a. sügisel algas suur võidujooks kolme suure kompanii vahel: Abbott, Roche ja MSD, kes püüdsid proteaasi inhibiitoritega esimestena turule jõuda. Detsember 1995 kuni märts 1996 ilmusidki kolm uut proteaasi inhibiitorit (saquinavir, ritonavir ja indinavir). Nende kasutamine koos pöördtranskriptaasi inhibiitoritega avaldas väga suurt terapeutilist mõju: paljud patsiendid, kes enne olid hooldekodudesse paigutatud, suutsid uuesti tööle naasta, samuti vähenesid oluliselt kliiniliste AIDS i tunnuste teke, mitmete ohtlike oportunistlike haiguste (CMV-viirus ja Mycobacterium avium complex) esinemine ja suremus. Kuid peagi sai selgeks ka tuntud tõsiasi igal heal ravimil on ka kõrvalmõjud. Kuna neid ravimeid peab tarvitama iga päev (ja kogu elu), siis paljud patsiendid ei talu neid enam. Paljudel tekivad spetsiifilised kõrvalnähud, millest levinuim on lipodüstroofia sündroom (rasvkoe kadumine näolt ja jäsemetelt). Praeguseks on selge, et HAART ravi ei ole kindlasti suuteline viirust organismist välja ravima, vaid ainult aitab selle paljunemist ohjata. Kahjuks on tekkinud ka juba HAART ravimite suhtes resistentseid viirusetüvesid, eriti arenenud riikides, kus see ravi on paljudele kättesaadav. Selle tulemuseks on, et juba 10-20% uutest nakatumistest on põhjustatud ravim-resistentsete viirustüvede poolt. Vaktsiinid Lootused HIV epideemia vähendamiseks maailmas on seotud tõhusa vaktsiini loomisega. Käesoleval ajal (aprill 2006. a.) on üle 30 erineva vaktsiinikandidaadi viidud kliiniliste katsetuste staadiumisse (enamik neist on I II faasi katsetused) kokku 12 eri riigis. Üks vaktsiinikandidaat on läbinud ka III faasi katsetuse, mis peaks lõplikult selgitama, kas antud preparaat aitab haigestumist vältida, kuid kahjuks edutult. Selle katse viis läbi Kalifornias baseeruv firma VaxGen, kes süstis vaktsiini 3300-le kõrge riskiastmega inimesele (peamiselt mees- 73

homoseksuaalid), kes katsetuse alguses ei olnud nakatunud HIV-ga. Tulemuseks oli üsna ühesugune nakatumise protsent vaktsineeritutel (5.7%) võrreldes platseebogrupiga (5.8%). Antud vaktsiin põhines HIviiruse gp120 valgul, lootus oli pandud antikehade tekke peale, mis takistaksid viiruse sisenemist rakkudesse. Enamik praegu arendatavaid vaktsiine (nagu ka FIT Biotech i poolt arendatav nn. MultiHIV vaktsiin) on aga ehitatud selliselt, et need peaksid stimuleerima tsütotoksiliste T- lümfotsüütide teket (need on immuunrakud, mis on võimelised avastama ja hävitama viiruse poolt nakatatud rakke). HIVi epideemia globaalne pärand HIV- epideemia paljudes riikides (eriti Sahara-taguses Aafrikas) jätab endast maha süveneva majandusliku viletsuse. Näiteks Lõuna-Aafrika Vabariigi SKP (sisemajanduse koguprodukt) on järgmise aastakümnendi alguseks 17% võrra väiksem, kui see oleks ilma HIVepideemiata. Sealhulgas muutub rahvastiku vanuseline struktuur: 60-70 aastaste inimeste osakaal suureneb võrreldes 40-50 aastaste omaga (Piot et al. 2001). Eriti ohtlikuks tuleb pidada tendentsi, kus HIV-epideemia suurendab mitmete teiste nakkushaiguste (eriti tuberkuloos) levikut ühiskonnas. Mitmete teiste riikide kogemus näitab, et HIV-epideemiale järgneb 7-aastase nihkega tuberkuloosi esinemissageduse tõus (Nunn et al. 2005). See on tingitud sellest, et 7 aastaga langeb HIV nakkuse tõttu organismi immuunrakkude arv kriitiliselt madalale, mistõttu organism ei saa enam hakkama mitmete haigustekitajatega, mis inimestel latentselt esineda võivad. Tuberkuloosikepike aga on peidus keskmiselt igal kolmandal inimesel. Adojaan et al. 2005. Predominance of a rare type of HIV-1 in Estonia. J Acquir Immune Defic Syndr 39, 598. Bailes et al. 2003. Hybrid origin of SIV in Chimpanzees. Science 300, 1713. McGrath et al. 2001. Using HIV-1 sequence variability to explore virus biology. Virus Research 76, 137-160. Nunn et al. 2005. Tuberculosis control in the era of HIV. Nature Reviews Immunology 5, 819. Peeters et al. 2002. Risk to human health from a plethora of Simian Immunodeficiency Viruses in primate bushmeat. Emerging Infectious Diseases 8, 451-457. 74

Perelson et al. 1996. HIV-1 dynamics in vivo: virion clearance rate, infected cell life-span, and viral generation time. Science 271, 1582. Piot et al. 2001. The Global impact of HIV/AIDS. Nature 410, 968. Rambaut et al. 2004. The causes and consequences of HIV evolution. Nature 5, 52-61. HI viiruste ajaloo ülevaade vt.: www.avert.org/historyi.htm HI viiruste klassifikatsioon vt.: www.hiv-web.lanl.gov Emaefektid taimedel Sirli Niitots Isendi fenotüübi kujunemisel on oluline osa tema genotüübil ja keskkonnatingimustel, mida ta kogeb. Lisaks sellele võib isendi fenotüüp sõltuda ka keskkonnatingimustest, mida on kogenud eelnev põlvkond, ehk teisisõnu, järglase fenotüübis võivad avalduda emaefektid (maternaalsed efektid). Üldisemalt mõistetakse emaefektide all igasugust vanemamõju järgneva põlvkonna fenotüübile, mida ei saa omistada ainuüksi järglase genotüübile. On teada, et emaefektid võidakse järglasele üle kanda läbi tsütoplasmaatiliste faktorite, mis võivad otseselt läbi maternaalse programmeerimise või kaudselt läbi tundlikkuse maternaalselt ülekantud faktoritele mõjutada järglase arengut (Mousseau & Fox 1998). Lacey (1998) on kirjeldanud emaefekti kujunemist taimedel. See saab alguse isendi reaktsioonist mingisugusele keskkonnast tulevale signaalile. Selleks võib olla näiteks fotosünteetiliselt aktiivse kiirguse kättesaadavus, punase:kaugpunase kiirguse suhe, mulla niiskustingimused, toitainete kättesaadavus, temperatuur, fotoperiood ja/või süsihappegaasi kontsentratsioon (Roach & Wulff 1987; Case et al. 1996; Rossiter 1996; Sultan 1996; Donohue & Schmitt 1998; Andalo et al. 1999; Lacey & Herr 2000; Galloway 2001; Galloway 2005). Signaalist saadud informatsiooni kantakse mööda teatud ülekanderada, kusjuures nii võime vastata stiimulile kui ka ülekanderada võivad genotüübiti varieeruda. Emaefekt on selle ülekande lõpp-produkt, 75