Achtergrondinformatie - Het immuunsysteem en HIV

Achtergrondinformatie - Het immuunsysteem en HIV
De mens wordt aangevallen door allerlei ziekteverwekkers. Pathogenen zoals virussen, schimmels
en bacteriën proberen de mens binnen te komen om daar voedsel te vinden. Gelukkig beschikt de
mens over een uitgebreide verdediging om deze indringers buiten te houden en onschadelijk te
maken.
De eerste bescherming wordt gevormd door de huid en het epitheel in het maag-darmstelsel en de
longen. Dankzij de huid en het epitheel kunnen ziekteverwekkers niet zomaar naar binnen komen.
Daarnaast zitten in zweet en talg enzymen die bacteriën doden. In de longen en het maagdarm
stelsel vervult slijm een soortgelijke rol. In de longen wordt slijm ook gebruikt om de bacteriën te
vangen en af te voeren richting de mondholte. Tot slot vormt de lage pH van de maag een belangrijk
hindernis. Naast ons eigen barrières, groeien op onze huid en in ons maagdarm stelsel gunstige
bacteriën. Die scheiden antibacteriële stoffen uit om hun eigen leefomgeving veilig te stellen.
Als het een pathogeen toch lukt om deze barrières te omzeilen, heeft ons lichaam twee manieren om
een pathogeen onschadelijk te maken. Allereerst wordt alles wat als vreemd wordt herkend,
opgeruimd. Dit is het aspecifieke immuunsysteem. Daarnaast kan het lichaam specifieke
ziekteverwekkers herkennen en uitschakelen. Dit wordt het specifieke immuunsysteem genoemd.
1.1 Het aspecifieke immuunsysteem
Het aspecifieke
immuuncellen.
immuunsysteem
bestaat
uit
het
complementsysteem
en
fagocyterende
1.1.1
Complement
Complement is het meest voorkomende eiwit in het bloed en wordt voornamelijk in de lever gemaakt.
Het bindt aspecifiek aan alle cellen en kan twee processen in werking zetten. Complement kan poriën
maken in de celmembraan. Dit doet complement met een complex van eiwitten dat het Membrane
Attack Complex heet. Door deze poriën lyseren de bacteriën en gaan ze dood.
Daarnaast worden bacteriën en virussen zichtbaarder voor witte bloedcellen als er complement aan
bindt. Dit wordt opsoniseren genoemd. Aan complement kunnen antilichamen binden en deze
antilichamen kunnen aan immuuncellen binden die het pathogeen opruimen.
Lichaamseigen cellen kunnen de werking van complement tegenhouden door de binding aan cellen
te verbreken, waardoor geen Membrane Attack Complex kan worden gevormd.
1.1.2
Fagocyterende cellen
Er zijn veel witte bloedcellen die vrije bacteriën en virussen opruimen door ze als het ware op te
eten. Dit worden fagocyterende cellen genoemd. De belangrijkste zijn de macrofagen en dendritische
cellen.
Macrofagen komen in actie als ze geopsoniseerde pathogenen waarnemen of als ze specifieke
structuren op pathogenen met hun receptoren herkennen. Deze receptoren herkennen algemene
patronen die voorkomen op veel pathogenen en zitten zowel op het plasmamembraan als op de
interne membranen. De receptoren op de plasmamembraan herkennen voornamelijk restanten van
bacteriën, omdat deze vrij in het lichaam voorkomen. De receptoren op interne compartimenten
herkennen vooral virussignalen. Geïnfecteerde cellen kunnen ook worden opgeruimd door
macrofagen.
Macrofagen tonen in hun MHC-II receptoren stukjes van het pathogeen aan T- en B-lymfocyten, de
immuun cellen van het specifieke immuunsysteem. Dendritische cellen komen voornamelijk in de
epidermis. De belangrijkste onderklasse van dendritische cellen zijn de Langerhanscellen. Een
belangrijke rol van dendritische cellen is het snel reageren op kleine (micro) wondjes.
1.2 Het specifieke immuunsysteem
In tegenstelling tot het a-specifieke immuunsysteem, dat algemene karakteristieken herkent,
herkent het specifieke immuunsysteem alleen heel specifieke stukjes van pathogenen. Deze stukjes
worden epitopen of antigenen genoemd. De B- en T-lymfocyten zijn de witte bloedcellen die
onderdeel uitmaken van het specifieke immuunsysteem.
1.2.1
B-lymfocyten
B-lymfocyten herkennen antigenen (of epitopen) op niet-lichaamseigen structuren en pathogenen
die vrij voorkomen in het menselijk lichaam, met antilichamen (of immunoglobulinen). Op het
moment dat een B-cel een antigeen herkent, met zijn specifieke antilichaam, migreert de B-cel naar
een lymfeknoop waar de B-cel door een T-helpercel wordt geactiveerd. Deze activatie vindt plaats
doordat de T-cel het peptide van het pathogeen op het MHC-II complex van de B-cel herkent. Hierna
geeft de T cel signalen af zodat de B-cel en zich kan gaan specialiseren, hierdoor ontstaan B-cellen
die het epitoop beter kunnen herkennen. Na een tweede activatie door T-helpercellen differentiëren
de B-cellen in memorycellen en plasmacellen. Memorycellen zorgen voor geheugen van het
immuunsysteem. Op het moment dat hetzelfde pathogeen het lichaam weer binnen komt herkennen
memorycellen het en zorgen voor een snelle activatie van het immuunsysteem, zodat het pathogeen
snel wordt opgeruimd. Plamacellen zijn B-cellen die antilichamen gaan produceren. Afhankelijk van
het pathogeen en de plaats is de B-cel in staat verschillende antilichamen te produceren, die
verschillende mogelijkheden hebben. In eerste instantie zullen Ig’s dienen als receptor op B-cellen,
maar plasmacellen zijn in staat antilichamen uit te scheiden die los in het bloed voorkomen. Deze
antilichamen binden aan de pathogenen, waardoor complementfactoren en macrofagen ze sneller
kunnen herkennen. Vervolgens kan het pathogeen worden opgeruimd.
1.2.2
T-lymfocyten, MHC I en MHC II
Als een pathogeen een cel heeft geïnfecteerd of is gefagocyteerd kan het pathogeen niet meer
worden herkend door een B-lymfocyt. Een type cel van het specifieke immuunsysteem kan dat wel.
T-lymfocyten binden met hun T-cel receptor aan Major Histocompability Complexes (MHC’s). Dit MHC
is een eiwitcomplex dat aan de buitenkant van elke kernhoudende cel zit. In het MHC-molecuul is
ruimte voor kleine stukjes eiwit.
Er zijn twee typen MHC’s (Figuur 1). MHC I zit
op alle cellen met een kern en presenteren
stukjes van alle eiwitten, die in de cel gemaakt
worden. Een geïnfecteerde cel produceert naast
zijn eigen eiwitten ook lichaamsvreemde
eiwitten. Stukjes van deze vreemde eiwitten
zullen ook worden gepresenteerd door MHC I.
De controleur van lichaamscellen is de
cytotoxische T-cel (CT-cel). Elke CT-cel herkent
specifieke lichaamsvreemde stukjes. Als deze in
een MHC I zitten, dan zal de T-cel het
mechanisme voor zelfdoding van een cel,
apoptose, aanzetten.
MHC II zit op macrofagen en dendritische cellen.
Als een cel een pathogeen heeft gefagocyteerd Figuur 1. Twee MHC complexen.
presenteert de cel stukken van het pathogeen Aan de onderkant de celmembraan van de cel waar
via MHC II. Deze MHC’s kunnen worden herkend de MHC moleculen in verankert zitten en aan de
door helper T-cellen. Helper T-cellen scheiden bovenkant de cellen receptoren waarmee het MHC
chemische stoffen uit die onder andere CD8 complex interacteert.
cytotoxische T-cellen aantrekt. Deze cellen Links, het MHC I complex, dat kan interacteren met
zorgen ervoor dat de geïnfecteerde cellen die Cytotoxische T-cellen en rechts het MHC II
complex dat interacteert met T-helpercellen.
pathogeen peptide op MHC-I tot expressie
© David S. Goodsell
brengen worden opgeruimd. Omdat cellen met
MHC II moleculen antigenen presenteren, worden ze ook wel antigeen presenterende cellen (APCs)
genoemd.
1.3 HIV infectie
Het human immunodeficiency virus (HIV) is een retrovirus. Het is verantwoordelijk voor het
ontwikkelen van Acquired ImmunoDeficiency Syndrome (AIDS). Een retrovirus is een RNA virus dat
zijn genoom in het DNA van de gastheercel integreert. Daarna worden de genen van het virus, net
als de genen van de gastheer, afgelezen. Daarnaast worden de genen meegekopieerd als de cel zich
deelt.
Retrovirussen zijn RNA-virussen. Dat betekent dat hun genoom niet uit DNA maar uit RNA bestaat.
Normale cellen kunnen RNA niet in DNA omzetten en kunnen geen nieuwe stukken DNA in hun
genoom plakken. Retrovirussen nemen daarom zelf de enzymen mee om dat te doen. Verder hebben
alle retrovirussen een envelop en hebben ze twee identieke moleculen enkelstrengs RNA.
1.3.1
Het HIV virion
Het HIV virion bestaat uit RNA en een
aantal belangrijke enzymen omsloten
door drie verschillende lagen.
De buitenste laag bestaat is dubbele laag
fosfolipiden
en
wordt
de
envelop
genoemd. In dit lipidemembraan zit het
membraangebonden
eiwit
gp41
en
daaraan zit gp120. Deze eiwitten zijn
verantwoordelijk voor het binden aan en
infecteren
van
cellen.
De
membraaneiwitten
worden
ook
envelopeiwitten of spikes genoemd.
De volgende laag is de matrix die de Figuur 2. Schematische tekening van HIV.
© US National Institute of Health, bewerkt door JCU
stabiliteit van het virion handhaaft. De
matrixlaag ondersteunt het lipidemembraan en voorkomt dat deze instabiel wordt of kapot gaat. Tot
slot zorgt het voor de verbinding tussen het membraan en het capside.
De binnenste laag is het capside, deze laag heeft een karakteristieke kegelvorm. En beschermt het
RNA en de eiwitten.
Helemaal binnenin zit het RNA. Het wordt nog extra beschermd door het nucleocapside. Het
nucleocapside zit aan het RNA gebonden en voorkomt dat het RNA breekt of beschadigd raakt. Tot
slot zitten hier de eiwitten die HIV nodig heeft om zijn RNA in DNA om te zetten, dit DNA in het
genoom van de gastheer te integreren en alle eiwitten los van elkaar te knippen. Dit zijn reverse
transcriptase, integrase en protease.
1.3.2
Infectie
HIV heeft een gastheercel nodig om te kunnen repliceren en moet daarvoor eerst de cel in. HIV bindt
met membraaneiwit gp120 aan CD4, een specifieke receptor die op de buitenkant van gastheercellen
zit. CD4 is een glycoproteïne, een eiwit met suikergroepen, dat aan de buitenkant van vooral helper
T-cellen en macrofagen zit. CD4 is een co-receptor voor MHC II. Als een helper T-cel een peptide
aan een MHC II herkent op een antigeen presenterende cel, stabiliseert CD4 de binding tussen de
twee cellen. CD4 zorgt daarnaast voor een versterking van het signaal.
CD4 en gp120 vormen een complex, waarna er een conformatieverandering optreedt in het gp120CD4 complex. Hierdoor komen nieuwe bindingsplaatsen vrij. Met de vrij gekomen bindingsplaatsen
bindt het complex aan een co-receptor. Afhankelijk van de HIV variant bindt het aan CCR5 of CXCR4,
het is ook mogelijk dat HIV beide receptoren herkent. CCR5 zit op en macrofagen en CXCR4 op Thelpercellen. Ze geven normaliter signalen af als er een signaalstof bindt.
Nadat het CD4-gp120 complex is gebonden aan de co-receptor vindt weer een
conformatieverandering plaats. Door deze verandering komt gp41 beschikbaar die de fusie van de
HIV-envelop en het membraan van de gastheercel faciliteert. Nadat de envelop van HIV is gefuseerd
met de celmembraan komt het HIV-capside vrij. Als het capside in het cytoplasma van de cel komt,
valt het uiteen. Het RNA en de eiwitten komen dan vrij in het cytoplasma te liggen.
Bepaalde HIV-varianten kunnen in plaats van aan CD4 aan CD8 binden. CD8 is net als CD4 is een
glycoproteïne en zit vooral op de buitenkant van cytotoxische T-cellen. Het stabiliseert de binding
tussen een CT-cel en een cel die een lichaamsvreemd peptide op zijn MHC I presenteert.
Figuur 3. Reverse transcriptase. In groen/blauw een
DNA-RNA streng. De termen polymerase en nuclease
worden in de tekst uitgelegd.
© David S. Goodsell (Scripps Research Institute)
1.3.3
Reverse Transcriptase
Na het infecteren van een cel wordt het enkelstrengs-RNA omgeschreven naar dubbelstrengs-DNA.
Menselijke cellen hebben hier geen eiwitten voor, dus neemt HIV dat zelf mee. Het proces waarin
Reverse Transcriptase (RT) RNA in DNA omzet verloopt als volgt.
Allereerst bindt er een tRNA op de bindingsplek van het RNA van HIV. RT start op deze positie en
transcribeert het RNA vanaf dit punt tot aan de LTR in een ssDNA streng. Het gekopieerde deel wordt
door het RNase H-domein afgebroken. Dit zorgt ervoor dat het overige RNA losraakt van RT en de
overgebleven LTR bindt aan de DNA LTR. RT transcribeert de rest van het RNA in DNA en RNase H
breekt het getranscribeerde RNA verder af. Een klein deel van het RNA blijft intact. Dit wordt het
polypurine tract genoemd. RT maakt de tweede streng van het DNA en start bij het polypurine tract.
RNase H verwijderd het overbleven RNA en het tRNA. Het DNA vormt een cirkel omdat de uiteinden
van het DNA complementair zijn. RT completeerd de tweede DNAstreng en voegt de LTR aan beide
uiteinden toe.
Figuur 4. Het genoom van HIV. LTR staat voor Long Terminal Repeat en dit speelt een
belangrijke rol in de transcriptie van RNA in DNA. Bron: Wikipediagebruiker Optigan13
Integratie van virus DNA in het genoom van de gastheer
Het dubbelstrengs DNA is gevormd in het cytoplasma van de cel. Om het DNA in het genoom van de
geïnfecteerde cel in te kunnen bouwen, moet het naar de kern getransporteerd worden. HIV brengt
het eiwit Integrase, medeverantwoordelijk voor deze stap, met zich mee. Integrase bestaat uit twee
identieke subeenheden die binden aan het virus DNA. Na binding knipt Integrase van beide 3’uiteinden een klein stukje DNA, daardoor steken de 5’-uiteinden uit. Integrase zet vervolgens aan
het 3’-uiteinde een OH groep. Zo’n OH-groep kan goed reageren met het DNA van het genoom van
de cel.
Integrase blijft na dit proces gebonden aan het virus DNA. Integrase vormt dan samen met andere
virus eiwitten: Vpr, RT en matrix een pre-integratie complex. Dit complex wordt vervolgens de
celkern in getransporteerd. In de kern wordt het DNA van de geïnfecteerde cel opengeknipt doordat
de reactieve OH groep in staat is moleculaire bindingen in het DNA te verbreken, zodat er stukken
3’ DNA van de geïnfecteerde cel vrij komen te liggen. Aan deze 3’-uiteinden kunnen dan de 5’uiteinden van het virus-DNA binden. Tot slot worden de knipplaatsen gerepareerd en is het virus
DNA in het genoom ingebouwd (Figuur 5).
Figuur 5. Integratie van retrovirus in
het genoom van gastheer. Nadat het
virus DNA gevormd is, wordt van het
3’ uiteinde een stukje geknipt en
daaraan wordt een OH groep gezet.
Deze OH groepen knippen in de kern
het DNA van de gastheer open. De
uitstekende
5’einden
kunnen
vervolgens aan het DNA van de
gastheer
binden,
waarna
de
knipplaatsen gerepareerd worden en
het virus DNA ingebouwd zit in het
genoom van de gastheercel.
© Andrea Savarino in Retrovirology
1.4 HIV replicatie
Als het DNA van HIV is ingebouwd in het gastheer-DNA, kunnen de genen worden afgelezen om
eiwitten te produceren. De productie van eiwitten wordt uitgevoerd door de machinerie van de
geïnfecteerde cel.
Om tot een eiwit te komen moet een gen eerst worden afgelezen. Het transcript wordt vervolgens
bewerkt en naar het cytoplasma geëxporteerd. Hier wordt het transcript vertaald naar een eiwit. In
figuur 6 staan alle stappen van dit proces.
1.4.1
Transcriptie
RNA polymerase bindt aan het DNA via verschillende specifieke sequenties. Deze sequenties worden
consensussequenties genoemd en hebben een specifieke base volgorde die RNA polymerase herkent.
Één van de belangrijkste sequenties is de TATA box. Deze sequentie bestaat uit de volgende
basenvolgorde: T A T A A/T A A/T. RNA polymerase bindt met behulp van transcriptiefactoren,
waaronder tatabox binding protein, aan de consensussequentie. Deze sequentie maakt het samen
met een aantal andere sequenties mogelijk voor RNA polymerase om te binden. De sequenties die
zorgen voor het binden van RNA polymerase heten de promotor. De affiniteit, waarmee RNA
polymerase bindt aan een promotor, is afhankelijk van de samenstelling van de sequenties die de
promotor vormen. Als RNA polymerase heeft gebonden aan de promotor en alle transcriptie factoren
aanwezig zijn, is RNA polymerase klaar om met de transcriptie te beginnen.
Rond het gen, zowel ervoor als erachter, liggen verschillende sequenties waaraan regulerende
eiwitten kunnen binden. Deze eiwitten hebben invloed op de snelheid van de transcriptie. De
stimulerende eiwitten heten activatoren en de remmende heten repressoren. HIV zorgt direct en
indirect voor een verandering in het remmen en stimuleren van eiwitten, doordat sommige HIV
eiwitten activator of repressor zijn. HIV beïnvloedt ook de productie en afbraak van activatoren en
Figuur 6. Eiwit productie.
Eerst wordt het DNA afgelezen en ontstaat er een pre-mRNA. Dit wordt geprocessed en naar buiten
de celkern getransporteerd. Daar wordt het mRNA vertaald naar een eiwit.
© Mike Jones
repressoren.
RNA polymerase gebruikt de 3’-5’ DNA-streng waar de promotor op ligt als matrijs. Het RNA
polymerasecomplex begint de transcriptie door het DNA van elkaar te halen. Vervolgens wordt de
matrijs afgelezen en wordt er een complementaire RNA-streng gesynthetiseerd van RNA nucleotiden
van 5’ naar 3’. Dit omdat er alleen aan de 3’ OH groep van de gevormde RNA streng een nieuwe
base kan worden gezet door RNA polymerase. Daarom vindt de transcriptie altijd van 5’ naar 3’
plaats.
1.4.2
Processing
Pre-mRNA moet worden geprocessed, voordat het de celkern uit kan. Processing houdt in dat het
gesynthetiseerde mRNA wordt bewerkt en beschermd.
Capping en polyadenylering zorgen voor de bescherming door het mRNA in te pakken. Splicing zorgt
voor het knippen en bewerken van het mRNA. Processing vindt tegelijkertijd met transcriptie plaats.
RNA polymerase heeft een belangrijke rol tijdens de processing. RNA polymerase trekt eiwitten aan,
die participeren bij de verschillende stappen van processing. Dit doet RNA polymerase met zijn C
terminale domein (CTD). De eiwitten die aangetrokken zijn door het CTD zijn factoren die de
processen van processing reguleren.
Capping
Capping is de eerste stap van processing en vindt plaats nadat 25 nucleotiden van de mRNA-streng
zijn gesynthetiseerd. Tijdens dit proces wordt er een gemethyleerde guanosine, één van de 4 basen,
via een brug van drie fosfaten aan het 5’mRNA einde vast gemaakt (Figuur 7Figuur 5). Het proces
vindt zo snel plaats, omdat onbeschermd mRNA snel wordt afgebroken. Aan de cap bindt eveneens
een eiwitcomplex dat de processing en de export uit de kern begeleid. Daarnaast speelt de cap een
rol bij translatie. Aan de cap binden namelijk eiwitten die belangrijk zijn bij de translatie.
Splicing
Figuur 7. mRNA cap. Weergave
van de cap op mRNA. Groen: de
gemethyleerde guanosine. Geel:
de fosfaatgroepen, de drie naast
elkaar vormen de fosfaatbrug
tussen de eerste nucleotide en
de cap. Blauw: de eerste twee
nucleotiden van het mRNA.
© Richard Wheeler
(Wikipediagebruiker Zephyris)
Het pre-mRNA bestaat uit stukken RNA die de code voor het eiwit bevatten, exonen, met daar tussen
stukken RNA die niet nodig zijn voor de productie van eiwitten, intronen. Tijdens splicing worden
intronen tussen exonen uitgehaald, deze worden in de kern afgebroken. Exonen worden tijdens de
translatie afgelezen. Bij alternatieve splicing worden er ook exonen uit het mRNA geknipt, zodat er
verschillende mRNA’s worden gevormd die voor verschillende eiwitten coderen.
Splicing is mogelijk wanneer er een intron is afgeschreven. Wanneer dit is, is afhankelijk van het
gen, omdat niet ieder gen op dezelfde plaats een intron heeft. Sommige genen worden helemaal niet
gespliced, maar dat is heel uitzonderlijk. Op intronen zitten consensussequenties, deze worden
splicesites genoemd en zorgen dat splice-enzymen weten waar ze moeten knippen. Splice-enzymen
zijn RNA-eiwit complexen die snRNP’s of snurp worden genoemd. De RNA-eiwit complexen die samen
verantwoordelijk zijn voor het knippen worden een spliceosoom genoemd. Het intron wordt aan het
begin losgemaakt. Het losse intron einde bindt dan aan een reactief A nucleotide. Zo ontstaat er een
lasso structuur, deze lasso wordt losgemaakt en de exonen worden aan elkaar gezet (Figuur 8).
Nadat de spliceosomen intronen uit het pre-mRNA hebben geknipt, wordt het pre-mRNA, messenger
RNA of mRNA genoemd.
Veel genen kunnen op meerdere manieren
gespliced worden. Dit wordt alternatieve splicing
genoemd en is meer regel dan uitzondering.
Alternatieve splicing werkt hetzelfde als normale
splicing alleen worden niet altijd dezelfde
intronen verwijderd en ook exonen worden
verwijderd. Wat betekent dat niet altijd dezelfde
stukken exonen het uiteindelijke mRNA gaan
vormen. Dit heeft tot gevolg dat een pre-mRNA
voor meerdere eiwitten kan coderen.
HIV maakt gebruik van splicing en alternatieve
splicing. Het virus DNA dat wordt ingebouwd in
het genoom is heel klein, maar codeert wel voor
negen genen. Onder andere door alternatieve
splicing kunnen al deze genen tot expressie
worden gebracht. Alternatieve splicing is dus
essentieel voor HIV.
Figuur 8. Splicing van het mRNA. Het intron wordt
aan het begin losgemaakt en bindt aan een
reactief A nucleotide, zodat er een lasso structuur
ontstaat. Het einde van het intron wordt
vervolgens ook losgemaakt en de exonen worden
aan elkaar geplakt.
© Wikipediagebruiker Plociam
Welk spliceproduct wordt gemaakt, kan worden
bepaald door een aantal factoren. De eerste
factor is de mate van affiniteit voor een
splicesite. Afhankelijk van de sequentie en de vouwing van het mRNA worden bepaalde splicesites
vaker dan wel minder vaak gebruikt. Een andere factor is de soort cel waarin het mRNA wordt
afgeschreven. In de ene cel worden eiwitten geproduceerd die een splicesite blokkeren, terwijl er in
een andere cel een eiwit wordt gemaakt dat de splicesite juist actiever maakt. De productie van
regulerende eiwitten kan in een cel zorgen voor verschillende mRNA eindproducten.
Polyadenylering
Op het moment dat RNA polymerase de consensussequentie AAUAAA afschrijft komen de laatste
eiwitten gebonden aan het CTD van het RNA polymerase in actie. Deze polyadenyleringsfactoren
zorgen voor twee dingen. Ten eerste geven ze een signaal aan RNA polymerase, zodat het stopt met
afschrijven. Dit signaal geven de polyadenileringsfactoren door los te laten van het CTD an RNA
polymerase. Ten tweede zorgen de polyadenyleringsfactoren voor de laatste stap van processing
namelijk de polyA-staart aan het 3’einde van de pre-mRNA-streng. Tijdens het proces van
polyadenylering wordt eerst het stuk RNA dat gemaakt is na de consensussequentie AAUAA
afgeknipt. Nadat het RNA is afgeknipt, zorgt een eiwit voor een staart die bestaat uit enkele tientallen
adenine nucleotiden. Dit beschermt het RNA net als de cap tegen afbraak.
1.4.3
Translatie
Na de transcriptie en de processing bevindt het mRNA zich nog steeds in de celkern, maar translatie
kan alleen buiten de celkern plaatsvinden. Het mRNA moet daarom eerst geëxporteerd worden naar
het cytoplasma. Dit wordt gedaan door exporteiwitten die binden aan het mRNA. Vervolgens
begeleiden deze eiwitten het mRNA naar het cytoplasma.
Eenmaal in het cytoplasma wordt het mRNA door een ribosoom geholpen bij het vormen van een
eiwit. Een ribosoom is de vertaalmachine van de cel en zet de code van het mRNA om in een keten
die bestaat uit de bouwstenen van eiwitten, aminozuren.
Het ribosoom bestaat uit twee subeenheden. Een kleine en een grote subeenheid. Op het moment
dat de kleine subeenheid mRNA tegenkomt, bindt de kleine subeenheid met behulp van verschillende
eiwitten aan de cap. Om deze reden leest het ribosoom het mRNA altijd van 5’ naar 3’. Vanaf de cap
scant de kleine subeenheid het mRNA tot het de code AUG tegenkomt. AUG is het startcodon, een
codon is een stuk mRNA van 3 nucleotiden. Deze eenheid van 3 nucleotiden wordt ook wel een triplet
genoemd. Het ribosoom leest het mRNA per triplet af. Een triplet wordt herkend door RNA dat een
aminozuur meeneemt, dit RNA wordt transfer of tRNA genoemd. Een tRNA dat een bepaalde code
herkend neemt altijd hetzelfde aminozuur mee. Er zijn 20 aminozuren, maar er zijn 64 codons. Dit
betekent dat meerdere tripletten voor hetzelfde aminozuur coderen en dat verschillende tRNA’s
hetzelfde aminozuur mee kunnen brengen.
Als de kleine subeenheid het startcodon heeft herkend, fuseert de kleine subeenheid met de grote
subeenheid. Nu het ribosoom is gevormd wordt het tweede triplet herkend door een tRNA en met
behulp van de energie rijke binding tussen tRNA en aminozuur worden de aminozuren aan elkaar
gezet. Het tRNA dat het startcodon had herkend laat nu los van het mRNA. Het ribosoom wordt
vervolgens met behulp van een eiwit een triplet opgeschoven, zodat het volgende triplet herkend
kan worden. Het ribosoom helpt zo bij het vormen van een aminozuurketen. Het ribosoom blijft
helpen met het aflezen van het mRNA tot het mRNA voor een stopcodon codeert en het ribosoom
wordt losgemaakt van de mRNA-streng.
Zoals hierboven beschreven bestaat een triplet uit drie aminozuren. De drie mogelijk tripletvolgorden
worden leesramen genoemd. Het is dus afhankelijk van het startcodon welke leesraam wordt
afgelezen. In sommige gevallen verschuift het ribosoom echter waardoor het in een ander leesraam
terecht komt en er een ander peptide ontstaat. Dit wordt frameshifting genoemd en HIV maakt ook
hier gebruik van.
Leaky scanning
De kleine subeenheid van het ribosoom scant normaal gesproken naar het eerste startcodon en zorgt
dan voor de binding met de grote subeenheid. Maar de kleine subeenheid is niet alleen afhankelijk
van het startcodon maar ook van de sequentie rondom het startcodon. Als dit geen optimale
consensus sequentie is, kan het gebeuren dat de kleine subeenheid het eerste startcodon overslaat
en doorzoekt naar een volgend startcodon. Dit principe heet leaky scanning. Hierdoor kunnen van 1
mRNA meerdere eiwitten afgelezen worden. HIV maakt gebruik van leaky scanning. Op verschillende
mRNA’s van HIV liggen meerdere eiwitten. Normaal zouden alleen de eerste eiwitten op deze streng
worden afgeschreven, maar door leaky scanning worden allebei de eiwitten gesynthetiseerd.
Frameshifting
Tijdens het synthetiseren van een peptide kan het gebeuren dat het ribosoom, een obstakel, zoals
een RNA-lus in het mRNA, tegenkomt. Hierdoor kan het ribosoom een nucleotide verschuiven. Als
dit gebeurt, komt het ribosoom in een ander leesraam, dit heet frameshifting. Normaal leest een
ribosoom het leesraam waar het startcodon in zit tot het stopcodon in dat leesraam. Na frameshifting
komt het ribosoom echter in een ander leesraam en zal dus dat leesraam aflezen tot het een
stopcodon tegenkomt. Bijvoorbeeld: GGA GGA GGA ziet er heel anders uit dan G GAG GAG GA en
codeert voor geheel andere aminozuren, in dit geval Glutamine in plaats van Glycine. Dit betekent
dat door frameshifting een ander eiwit kan ontstaan of dat het eiwit misvormd is of te kort, omdat
het ribosoom nu snel een stopcodon tegenkomt of de verkeerde aminozuren afschrijft. Sommige
eiwitten kunnen echter alleen ontstaan na frameshifting.
In het mRNA dat codeert voor het Gag eiwit zit een RNA-lus. Hierdoor vindt er in ongeveer 10% van
de gevallen framshifting plaats. Door de frameshift komt het ribosoom in een ander leesraam terecht,
waardoor het HIV eiwit Gag-Pol ontstaat. Zonder frameshifting zou dit eiwit niet hebben kunnen
ontstaan en zou HIV zich niet kunnen verspreiden. Het is dus essentieel voor HIV.
1.4.4
De vorming van een nieuw virusdeeltje
Op het moment dat een nieuw virusdeeltje zich gaat vormen, binden Gag eiwitten aan de
celmembraan. De Gag eiwitten verzamelen zich op de celmembraan en gaan langzaam een nieuw
virusdeeltje vormen, dit wordt een virion genoemd. Tijdens dit proces zitten de MA eiwitten, een
onderdeel van Gag, aan de celmembraan en de NC eiwitten, een ander onderdeel van Gag, naar
binnen gekeerd. De delen van Gag die later CA eiwit gaan vormen binden aan elkaar, zodat er een
stabiel virion ontstaat. Het membraan speelt ook een rol in het stabiliseren van het virion, maar hoe
is nog niet duidelijk. In het door Gag gevormde virion zitten behalve Gag, twee identieke virus RNA’s,
die gebonden zitten aan het NC deel van Gag, en een aantal virus en lichaamseigen eiwitten. Deze
extra eiwitten zijn niet nodig om een virusdeeltje te vormen, maar zijn nodig om de vorming van
een volgroeit HIV deeltje snel en goed te laten verlopen en voor de replicatie. Gag heeft zelf al het
materiaal bij zich om een virusdeeltje te vormen. Nadat alles in het virion zit wordt het afgesnoerd
en komt het los van de cel. Tijdens het afsnoeren en na vorming van het virion gaat het zich
ontwikkelen.
Soms wordt in plaats van het Gag eiwit het Gag-Pol eiwit gevormd. Dit eiwit komt op dezlefde manier
als Gag in de virion. Het Gag-Pol eiwit bevat drie essentiële eiwitten reverse transcriptase (RT),
Integrase en Protease en heeft een totaal andere functie dan het Gag eiwit. HIV heeft RT en Integrase
nodig om een cel te infecteren. Protease gebruikt HIV voor de maturatie van het virusdeeltje.
Protease kan zichzelf losknippen van het Gag-Pol eiwit en wordt dan actief. Nadat Protease actief is
geworden, kan Protease Gag op 5 verschillende plaatsen knippen. Hierdoor ontstaan de drie lagen,
zoals hierboven beschreven (Figuur 9). Ook knipt Protease het Gag-Pol eiwit, waardoor RT en
Integrase los komen. Dit zodat deze eiwitten na infectie hun werk kunnen doen. Protease werkt pas
als het virion gevormd is. Dit om ervoor te zorgen dat alle onderdelen van het virus aanwezig zijn,
voordat het virion loslaat en volgroeid raakt.
Om een cel te kunnen infecteren heeft HIV structuren op de membraan nodig die kunnen binden aan
receptoren van menselijke cellen. Deze structuren worden ook wel spikes genoemd en zijn bij HIV
twee eiwitten, gp120 en gp41, afkomstig van het Env gen. Env wordt geknipt waardoor deze twee
eiwitten ontstaan en op de celmembraan kunnen worden gezet. Env heeft vervolgens een rol bij het
bepalen van de plaats in de cel waar een nieuw virus deeltje zich gaat ontwikkelen, maar hoe dat
werkt is niet bekend. Hoe de eiwitten op het virusdeeltje komen is niet helemaal duidelijk. Men denkt
dat er plaatsen in het membraan zijn waar zowel Gag als Env liever binden aan de membraan. Hier
gaat zich dan een virusdeeltjes vormen.
Nadat het virus deeltje is afgeknopt van de celmembraan knipt Protease Gag en rijpt het virusdeeltje.
Nu is het nieuw gevormde virusdeeltje instaat een cel te infecteren met behulp van gp120 en gp41.
Figuur 9. Ongerijpt en gerijpt HIV. (Boven)
Het ongerijpte HIV deeltje laat zien waar
alle onderdelen van het Gag eiwit nog aan
elkaar zitten. (Onder) Het gerijpte HIV
deeltje na het knippen van Gag door
Protease.
© Drs. Louis E. Henderson and Larry
Arthur, NIAID