Информационная система "HIV Vaccine Development"

Бажан С.И., Белова О.Е.
Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии ``Вектор'',
Кольцово, Новосибирская обл.

По трудности создания вакцина против HIV¹-- наиболее сложная из всех, созданных до сих пор или разрабатываемых в настоящее время (если оценивать характер инфекции, степень антигенной вариабельности, наличие естественного иммунитета, наличие моделей на животных и возможность культивирования микроорганизмов) [29]. Разработка вакцины ведется с использованием самых разных стратегий, направленных на индукцию как гуморального, так и клеточного иммунитета, а также иммунного ответа слизистых оболочек барьерных тканях. Тем не менее проблема конструирования вакцины против HIV остается открытой.

Поэтому задача состоит в том, чтобы, используя весь накопленный опыт, найти наиболее эффективные и безопасные формы вакцин, определить наиболее перспективные системы их доставки и оптимальные протоколы иммунизации. В связи с этим актуальной является разработка информационной системы, интегрирующей современные знания в области дизайна, конструирования и испытания вакцин против HIV, а также данные по молекулярной биологии, вирусологии и иммунопатологии HIV.

Современные базы данных биологической информации стали важным инструментом исследователей. Быстро растет как количество информации, включаемой в базу данных, так и их число [2,8,25]. Одно из современных направлений развития баз данных связано с созданием специализированных (предметно-ориентированных) информационных систем с разными уровнями представления данных (знаний) в некоторой конкретной области. Однако их развитие сдерживается тем, что они требуют предварительного анализа, обобщения и систематизации данных в некоторой специализированной области. В биологии примером такой предметно-ориентированный базой данных является база данных TRRD, которая содержит информацию по регуляции транскрипции генов, обеспечивающих генетический контроль целого ряда конкретных физиологических систем (интерферон-индуцируемые гены, гены липидного метаболизма, гены эритропоэза и др.) [27,9,19]. Можно также упомянуть ImMunoGeneTics database [12], специализирующуюся на иммуноглобулинах.

Базами данных, которые имеют непосредственное отношение к иммунологии и вакцинологии HIV, являются "AIDS Vaccine Web-site" (USA, National Institute of Allergy and Infection Diseases) и "HIV Molecular Immunology Database" (Los Alamos National Laboratory, USA). Первая база дает самые общие представления в области разработки вакцин против СПИД. "HIV Molecular Immunology Database" содержит полный перечень В- и Т-клеточных (как CD8+CTLs, так и CD4+Th) эпитопов и полные последовательности белков и нуклеиновых кислот разных изолятов HIV и SIV. База имеет программное обеспечение, позволяющее выбирать нужную информацию и представлять ее в удобном виде. Кроме того эта база данных содержит ряд обзоров, посвященных актуальным вопросам иммунологии HIV. Вместе с тем существующие базы данных не предоставляют целенаправленной аналитической информации, посвященной анализу проблем и путей создания вакцин против HIV.

Цель данной работы -- создание информационной системы, интегрирующей современные знания в области молекулярной биологии, иммунологии и вакцинологии HIV. Первая версия информационной системы ``HIV Vaccine Development'' представлена в Интернете на сервере ГНЦ ВБ ``Вектор'' по адресу http://www.vector.nsc.ru/hivvac/. Предполагаемый круг пользователей системы - специалисты, работающие в области дизайна, конструирования и испытания вакцин против HIV.

Гипертекстовый принцип организации информации

Система создается на основе гипертекстовой технологии и представляет собой электронные аналитические обзоры литературы, оформленные в виде отдельных рефератов, таблиц и рисунков. Система имеет иерархическую структуру, задаваемую системой оглавлений, с которыми связаны определенные группы записей. Записи всех разделов связаны контекстными ссылками и образуют единую гипертекстовую сеть. Гипертекстовый принцип создания баз данных в сочетании с исключительными возможностями компьютера в переборе текста открывает возможности создания новой технологии хранения, использования и интеграции данных [17]. Несколько важных особенностей гипертекстовой организации данных, существенно облегчают создание баз данных и информационных систем [28]. В частности, такая организация не требует жесткого структурирования данных, что позволяет заносить в базу любую информацию, которая не может быть формализована в настоящее время. При этом структурированная в виде гипертекста информация организована таким образом, что с ней можно проводить все поисковые процедуры.

Гипертекст системы состоит из отдельных записей с выделенными в тексте ключевыми словами или маркерами, которые позволяют осуществлять переход из записи в запись. Таким образом, гипертекст используется для интеграции и структурирования огромного количества разнообразной информации, представленной в литературе и компьютерных базах данных и сетях. Дизайн системы построен по аналогии со структурой печатных источников для облегчения работы пользователей. Основным входом в систему являются подробные оглавления.

Система пополняется гипертекстовыми обзорами, подготовленными в системе подготовки web-сайтов (Front Page Express). В качестве основного был выбран формат HTML, так как основным средством доступа к БД является Интернет. Вновь введенный в БД обзор присоединяется гипертекстовыми ссылками к существующему материалу. Рисунки представлены как GIF-изображения. Система имеет доступ к аналогичным международным БД через контекстные ссылки -- адреса в Интернете.

Содержание информационной системы

Информационно-аналитическая система включает разделы по молекулярной биологии, вирусологии, иммунологии и иммунопатологии HIV, известным стратегиям применения вакцин, дизайну искусственных Т- и В-клеточных иммуногенов, кандидатов в вакцины против HIV-1. Язык записей -- английский. Источником информации явились печатные научные публикации и авторские обзоры, а также опыт по конструированию и изучению вакцин, имеющийся в ГНЦ ВБ ``Вектор''.

Молекулярная биология. Раздел содержит описание структурно-функциональной организации генома HIV-1: характеристики структурных и регуляторных элементов генома, процессинг мРНК и белков, модели регуляции транскрипции и репликации HIV-1 с участием вирусных и клеточных факторов и т.д.

Иммунобиология. Содержит описание регуляции основных звеньев Т- и В- клеточного иммунитета, а также стимуляции гуморального и клеточного иммунного ответа на HIV-инфекцию. Рассмотрены стратегии HIV, позволяющие обойти гуморальный ответ.

Модели иммунобиологии и иммунопатологии HIV. Представлены данные о патогенезе инфекции, характере поражения иммунной системы, описаны возможные механизмы иммунных нарушений, индуцируемых HIV.

Создание вакцины против HIV. Перечислены трудности создания эффективной и безопасной вакцины против HIV-1, подробно описаны известные в настоящее время подходы, основанные на использовании различных форм вирусного антигена.

Дизайн искусственных вакцин против HIV-1. Содержит описание и анализ современных стратегий создания полиэпитопных вакцин. Особое внимание уделено дизайну полиэпитопных CTL-вакцин, критериям выбора Т-клеточных эпитопов и технологии их объединения в один полипептид. Рассмотрены вопросы доставки вакцин.

Тестирование вакцин против ВИЧ. Описан комплекс методов оценки иммунобиологичеких свойств вакцин, побочных эффектов и других характеристик, эффективности иммунизации (гуморальный и клеточный ответ на животных, антигенность, аллергенность и прочие показатели).

Рамки статьи не позволяют дать полное и исчерпывающее описание содержания системы. В качестве фрагмента системы мы приводим краткое изложение материала из раздела ``Дизайн искусственных HIV вакцин'', чтобы отразить современные тенденции и проблемы в создании вакцины против HIV. Полная информация доступна по адресу http://www.vector.nsc.ru/hivvac/.

Современные подходы к созданию вакцины против HIV

Для разработки анти-HIV вакцины были задействованы практически все известные в настоящее время подходы. Эти подходы предусматривают использование различных форм вирусного антигена, в том числе: целого убитого вируса, аттенуированного живого вируса, нативных или рекомбинантных вирусных белков, инженерных пептидов, а также использование различных адьювантов и систем доставки ДНК- и белковых вакцин, включая рекомбинантные вирусы, бактерии, плазмидные ДНК, вирусоподобные частицы и др. [11-14]. Каждый из этих подходов был испытан и оценен, однако, вопреки этим усилиям надежную и эффективную вакцину против HIV-1 пока создать не удалось.

Основные проблемы, которые сдерживают создание анти-HIV-1 вакцины, обусловлены в основном четырьмя причинами: (1) высокой антигенной изменчивостью HIV, (2) интегрированной природой патогенеза HIV-инфекции (3) отсутствием ясного понимания, какой иммунный ответ (индукция антител, или цитотоксических Т-лимфоцитов) играет ведущую роль в предотвращении или сдерживании инфекции, (4) отсутствием экспериментальных моделей HIV-инфекции на животных [3]. Ответы на эти вопросы являются критическими для создания эффективной вакцины против HIV.

Вместе с тем отсутствие вакцины и быстрое увеличение числа HIV-инфицированных требует разработки новых подходов к созданию эффективных анти-HIV вакцин и систем их доставки. Согласно современным представлениям, один из наиболее перспективных подходов к созданию нового поколения надежных и безопасных вакцин основан на идентификации Т- и В-клеточных эпитопов внутри белковых антигенов HIV-1 и создании на их основе искусственных полиэпитопных вакцин. Такие вакцины должны быть лишены дефектов, которые присущи субъединичным вакцинам, а также вакцинам, разрабатываемым на основе нативных белков или аттенуированного и инактивированного вируса. Таким образом, инженерные конструкции имеют потенциал, который позволяет улучшить иммунный ответ против HIV по сравнению с иммунитетом, индуцируемым при естественной HIV-инфекции.

Дизайн CTL-вакцин

В настоящее время появляется все больше доказательств того, что цитотоксические Т-лимфоциты (CTLs), индуцируемые при HIV-инфекции, являются важными медиаторами противовирусного иммунитета и, следовательно, могут быть важным компонентом эффективной CTL-вакцины против HIV [13,15,20]. Эффективные полиэпитопные CTL-вакцины должны содержать большое число консервативных эпитопов, отобранных из основных вирусных белков. Большинство Т-клеточных эпитопов, вовлеченных в индукцию CTL и Th-лимфоцитов, картированы в HIV-белках gp120, gp41, p17, p24, Pol и Nef (см. Los Alamos HIV Molecular Immunology Database, http://hiv-web.lanl.gov). Для конструирования CTL-вакцин должны отбираться эпитопы, удовлетворяющие следующим основным критериям:

1. В рассмотрение должны приниматься эпитопы, стимулирующие как CTLs (CD8+ CTL), так и T хелперные лимфоциты (CD4+ Th).
2. CTLs, индуцированные синтетическими пептидными эпитопами, должны узнавать соответствующие им естественно процессируемые эпитопы.
3. Должны быть рассмотрены эпитопы, консервативные для основных подтипов HIV-1, циркулирующих в популяции конкретного географического региона.
4. Должны, по-возможности, выбираться так называемые оптимальные эпитопы, которые в исследованиях по титрованию перекрывающихся усеченных пептидов определены как минимальные эпитопы, вызывающие наиболее эффективную сенсибилизацию CTLs, специфичных к определенным молекулам МНС I класса.
5. Выбираемые CTL-эпитопы должны быть рестриктированы HLA-аллелями I класса, наиболее распространенными в популяции, для которой разрабатывается CTL-вакцина.

Проблемы конструирования CTL-вакцин

Очевидно, что дизайн искусственных полиэпитопных CTL-вакцин требует обоснованной стратегии включения (объединения) множества отобранных из разных вирусных белков эпитопов в одну полипептидную цепь. Потенциальные проблемы, которые могут осложнить дизайн и применение искусственных полиэпитопных CTL-вакцин, обусловлены в основном двумя причинами: 1) возможным влияние фланкирующих последовательностей на протеолитический процессинг CTL-эпитопов; 2) иммунологической конкуренцией между CTL-эпитопами, которая может иметь тенденцию к доминированию ответа на одни эпитопы и ограничению ответа на другие.

В общем случае механизмы, ведущие к иммунодоминантности, известны. Они включают предпочтительный процессинг определенных эпитопов протеасомой благодаря наличию благоприятных фланкирующих последовательностей, аффинитет связывания пептидов с HLA молекулами I класса, эффективность антиген презентации, наличие Т-клеток, способных отвечать на данный комплекс и иммунодоминирование [4,26]. Имеющиеся данные позволяют предположить, что для того, чтобы избежать иммунодоминатности, т.е. повысить процессинг и презентацию антигенных пептидов, искусственные полиэпитопные конструкции должны содержать последовательности, повышающие протеасом-опосредованную деградацию белков.

Данные о влиянии фланкирующих последовательностей на процессинг и высвобождение эпитопов являются противоречивыми [16,22]. Было показано, что фланкирующие последовательности влияют на процессинг эпитопов только в некоторых системах [22,23]. В частности, было показано, что минимальные CTL эпитопы из разных антигенов, включенные в состав полиэпитопной CTL-вакцины как смежные пептиды без фланкирующих последовательностей, могут процессироваться и представляться CD8+ Т-лимфоцитам.

Альтернативная стратегия конструирования полиэпитопных иммуногенов основана на объединении эпитопов как перекрывающихся пептидов в тех случаях, когда это возможно. Действительно, большинство известных CTL-эпитопов, представленных в Los Alamos HIV Molecular Immunology Database, картируются в последовательностях нативных вирусных белков, как перекрывающиеся пептиды, локализованные в нескольких непрерывных районах. Данный подход использовался Ханке и соавт. [6,7] для конструирования анти-HIV поли- CTL-эпитопной ДНК-вакцины, использующей различные системы доставки: либо плазмидную ДНК, либо модифицированный вирус Ankara (аттенуированный вирус осповакцины). При иммунизации мышей обе вакцины индуцировали специфические CD8+ CTLs [6,7].

Важный фактор, который может влиять на экспрессию, а следовательно на процессинг и иммуногенность целевых иммуногенов, связан с выбором кодонов, кодирующих полиэпитопный CTL-иммуноген. Самые последние данные показывают, что кодоны HIV-1 не являются оптимальными для синтеза вирусных белков в клетках человека. Было показано, что замена кодонов нативных генов gp120 и gag на кодоны высоко экспрессируемых генов человека приводит к значительному увеличению экспрессии модифицированных генов, а также титров антител и активности CTL у иммунизированных животных [1,14]. Важно также отметить, что обезьяны Macaque rhesus, иммунизированные плазмидами, содержащими модифицированный ген gag, показали существенное увеличение gag-специфических CTLs. Эти результаты наглядно демонстрируют, что использование кодонов высоко экспрессируемых генов человека может значительно увеличить потенциал ДНК-вакцин против ВИЧ-1.

Проблемы биологического тестирования CTL-вакцин

Как уже отмечалось, одной из причин, сдерживающих создание вакцины против HIV-1, является отсутствие адекватных экспериментальных моделей, чувствительных к HIV-1. В настоящее время только шимпанзе, ближайшие родственники человека, могут быть инфицированы HIV. Однако эти животные вряд ли являются подходящей моделью для изучения HIV-инфекции. Поэтому в настоящее время акцент делается на использование экспериментальных моделей SIV и SHIV, которые позволяют моделировать HIV-инфекцию и оценивать протективные свойства анти-HIV вакцин на других non-human приматах.

Задача изучения иммуногенности вакцинных кандидатов несколько упрощается, так как в данном случае могут также использоваться мелкие животные, в частности мыши. Однако при использовании экспериментальных моделей для тестирования иммуногенности CTL-вакцины, содержащей эпитопы, рестриктированные молекулами HLA I класса, необходимо, чтобы в состав вакцины были включены дополнительные CTL-эпитопы, распознаваемые и представляемые молекулами МНС I класса мышей и обезьян [5]. Однако для того, чтобы показать CTL ответы на эпитопы, представляемые HLA-антигенами, используют другие альтернативные и более специфичные подходы. Один из них основан на использовании для иммунизации трансгенных мышей, экспрессирующих аутологичные HLA-молекулы [10], а другой -- на использовании для CTL-анализа клеток-мишеней и CTL-клонов, также имеющих идентичные HLA-антигены [6,22].

Заключение

В работе представлен пилотный вариант информационной системы, содержащей информацию, касающуюся современных подходов к созданию вакцин против HIV. Система дает широкий обзор различных аспектов молекулярной биологии, вирусологии и иммунологии HIV и может служить также в качестве образовательной системы. Дальнейшее развитие информационной системы планируется проводить в двух направлениях. Первое -- обновление и пополнение аналитической информации. Второе - дополнение системы программами поиска, анализа и визуализации белковых и нуклеиновых последовательностей HIV-1.

Свободный доступ пользователей через Интернет к информационной системе, дополненной функционирующими прикладными программами, увеличение количества гипертекстовых страниц с аналитическими обзорами научных публикаций на web-сервере могут помочь при решении широкого круга задач, связанных с созданием вакцин против HIV

Работа частично финансировалась Межведомственной научно-технической программой ``Вакцины нового поколения и медицинские диагностические системы будущего''.

Литература

1

Andre S., Seed B., Eberle J., Schraut W., Bultmann A., Haas L. J. Virol., 1998, Vol. 72, pp. 1497-1503.

2

Bairoch A. Nucleic Asids Res. 1994. Vol. 22. No 17, pp. 3626-3627.

3

Cease K.B., Berzofsky J.A. Annu. Rev. Immunol., 1994, Vol. 12, pp. 923-989.

4

Chen W., Anton L.C., Bennink L.R., Yewdell J.W. Immunity, 2000, Vol. 12, pp. 83-93.

5

Hanke T., Schneider J., Gilbert S.C., Hill A.V.S., McMichael A. Vaccine. 1998, Vol. 16, 4, pp. 426-436.

6

Hanke T., Blanchard T.J., Schneider J., Ogg G.S., Tan R., Becker M., Gilbert S.C., Hill A.V.S., Smith G.L., Mcmichael A.J. Gen. Virol. 1998. Vol. 79, pp. 83-90.

7

Hanke T., McMichael A. Immunol. Lett., 1999, Vol. 66, pp. 177-181.

8

Holm L., Sander C. Proteins. 1994. Vol. 19, pp. 256-268.

9

Ignat'eva E.V., Merkulova T.I., Vishnevskii O.E., Kel A.E. Molec. Biol. 1997. Vol. 31. No. 4, pp. 575-591.

10

Ishioka G.E., Fikes J., Hermanson G., LivingstonB., Crimi C., Qin R., del Guercio M.-F., Oseroff C., Dahlberg C., Alexander J., Chesnut R.W., Sette A. J. Immunol.,1999. Vol. 162, pp. 3915-3925.

11

Lebedev L.R., Karpenko L.I., Poryvaeva V.A., Azaev M.Sh., Ryabchikova E.I., Gileva I.P., Ilyichev A.A. Molec. Biol., 2000. Vol. 34, 3, pp. 413-417.

12

Lefranc M.-P. Exp.Clin.Immunogenet. 1998. Vol. 15, pp. 1-7.

13

Letvin N.L. Science. 1998. Vol. 280, No. 5371, pp. 1875-1880.

14

zur Megede J., Chen M.C., Doe B., Schaefer M., Greer C.E., Selby M., Otten G.R., Barnett S.W. J. Virol., 2000, Vol. 74, 6, pp. 2628-2635.

15

Moss D.J., Schmidt C., Elliott S.L., Suhrbier A., Burrows S.R., Khanna R. Adv.Cancer Res. 1996, Vol. 69. p. 213.

16

Niedermann G., Butz S., Ihlenfeldt H.G., Grimm R., Lucchiari M., Hoschutzky H., Jung G., Maier B., Eichmann K. Immunity. 1995, Vol. 2, pp. 289-299.

17

Nielsen J. Hypertext and Hypermedia. WA: Academic Press, 1990.

18

Perkus M.E., Tartaglia J., Paoletti E. J. Leukocyte Biol. 1995. Vol. 58, pp. 1-13.

19

Podkolodnaya O.A., Stepanenko I.L. Molec. Biol. 1997. Vol. 31. No. 4, pp. 562-574.

20

Rowland-Jones S., Sutton J., Ariyoshi K., Dong T., Gotch F., McAdam S., Whitby D., Sabally S., Gallimore A., Corrah T., Takiguchi M., Schultz T., McMichael A., Whittle H. Nature Med. 1995. Vol. 1, p. 59.

21

Shen H., Slifka M.K., Matloubian M., Jensen E.R., Ahmed R., Miller J.F. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1995. Vol. 92, p. 3987.

22

Thomson S., Khanna R., Gardner J., Burrows S.R., Coupar B., Moss D.J., Suhrbier A. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1995. Vol. 92, pp. 5845-5849.

23

Thomson S.A., Elliott S.I., Sherritt M.A., Sprot K.W., Coupar B.E., Scalzo A.A., Forbes C.A., Ladhams A.M., Mo X.Y., Tripp R.A., Doherty P.C., Moss D.J., Suhrbier A.J. Immunol. 1996. Vol. 157. No. 2, pp. 822-826.

24

Waine G.L., McManus D.P. Parasitol. Today. 1995. Vol. 11. p. 113.

25

Wallace J.C., Henikoff S. Comput. Appl. Biosci. 1992. Vol. 8, pp. 249-254.

6

Yewdell J.W., Bennink L.R. Annu. Rev. Immunol. 1999. Vol. 17, pp. 51-88.

26

Ананько Е.А., Бажан С.И., Белова О.Е., Кель А.Э. Молекуляр. биология. 1997. Т. 31. С. 701-713.

27

Александров А.А., Сницарь Р.В., Дроздов-Тихомиров Л.Н., Скурида Г.И., Шепелев В.В., Чарикова Е.В., Волкова Л.И., Федосеева В.Б., Казаченко К.Ю., Крупенко М.А., Ревкова Н.В., Ковалев П.В. Молекуляр. биология. 1999. Т. 33. No. 1. P. 80-85.

28

Козлов А.П. Русский журнал ``ВИЧ/СПИД и родственные проблемы''. 1998. Т. 2, N. 1. С. 3-10.

Примечание

... HIV¹

Сокращения: HIV, SIV - вирусы иммунодефицита человека и обезьяны, CTL - цитотоксические Т-лимфоциты, МНС - главный комплекс гистосовместимости, HLA - лейкоцитарный антиген человека.

Ваши комментарии

[Головная страница] [Конференции] [СО РАН]

© 2001, Сибирское отделение Российской академии наук, Новосибирск
© 2001, Объединенный институт информатики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт систем информатики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт математики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Новосибирск
© 2001, Новосибирский государственный университет
Дата последней модификации Thursday, 06-Sep-2001 19:53:45 NOVST