Aufdeckung von HIV-Arzneimittelresistenzmechanismen anhand von Proteinstrukturen

Aufdeckung von HIV-Arzneimittelresistenzmechanismen anhand von Proteinstrukturen

Neue Forschungen des Salk Institute könnten zur Entwicklung neuer HIV-Therapeutika führen, die Resistenzen gegen bestehende Medikamente überwinden

LA JOLLA – Forscher des Salk Institute haben in Zusammenarbeit mit den National Institutes of Health die molekularen Mechanismen entdeckt, durch die das Humane Immundefizienzvirus (HIV) gegen Dolutegravir, eines der wirksamsten, klinisch eingesetzten antiviralen Medikamente zur Behandlung von HIV, resistent wird.

Die neue Studie, veröffentlicht am 21. Juli 2023 in Wissenschaft Fortschrittezeigt, wie Veränderungen an den 3D-Strukturen von Integrase, einem HIV-Protein, zu einer Dolutegravir-Resistenz führen können und wie andere Verbindungen diese Resistenz möglicherweise überwinden können.

„Bei HIV muss man dem Virus zwei Schritte voraus denken“, sagt Salk Associate Professor Dmitri Ljumkis, Co-Senior-Autor und Entwicklungsvorsitzender der Hearst Foundation. „Wir haben jetzt festgestellt, wie sich das Virus gegen Medikamente wie Dolutegravir weiterentwickeln könnte, was bei der Entwicklung zukünftiger Therapeutika wichtig ist.“

Eine HIV-Infektion hängt von der Fähigkeit des Virus ab, sein eigenes genetisches Material in das Genom menschlicher Zellen einzubauen und so die Zellen praktisch zu kapern, um sie in virusproduzierende Fabriken umzuwandeln. Dolutegravir und verwandte Medikamente wirken, indem sie die Integrase blockieren, ein Protein, das für die Fähigkeit des Virus, seine eigene DNA in das Wirtsgenom zu integrieren, entscheidend ist. Ohne funktionierende Integrase kann HIV menschliche Zellen nicht effektiv infizieren. Allerdings handelt es sich bei HIV um ein schnell mutierendes Virus, und immer mehr HIV-Stämme sind gegen Dolutegravir resistent.

In der Vergangenheit, Lyumkis‘ Labor entdeckte die 3D-Struktur des Integrase-Proteins, während es an DNA gebunden ist und auch die genau, wie Medikamente wie Dolutegravir an Integrase binden und diese blockieren. Die Forscher waren sich jedoch nicht sicher, wie sich die Integrasestruktur veränderte, als das Virus nicht mehr auf Dolutegravir reagierte.

In der neuen Studie erstellten Lyumkis und Mitarbeiter der National Institutes of Health Versionen des Integrase-Proteins mit Mutationen, von denen bekannt ist, dass sie HIV resistent gegen Dolutegravir machen. Anschließend bestimmten sie die Struktur jeder mutierten Integrase und enthüllten, warum Dolutegravir nicht mehr an jede Version des Proteins binden und diese blockieren konnte. Die Wissenschaftler bewerteten auch die „Fitness“ des Virus (seine Fähigkeit, infektiöse Nachkommen zu produzieren) und die Aktivität des Enzyms, um besser zu verstehen, was bei Patienten zu Arzneimittelresistenzen führt.

„Wir waren ziemlich überrascht über das Ausmaß der Resistenz, die diese Integrase-Varianten aufwiesen“, sagt Lyumkis. „Die Funktionsfähigkeit von Dolutegravir war völlig beeinträchtigt.“

Die Forscher testeten auch die Wirksamkeit eines experimentellen HIV-Medikaments, 4d, bei der Blockierung der Funktion von Dolutegravir-resistenten Integrase-Proteinen. 4d wurde von Lyumkis‘ Mitarbeitern am NIH als Integrase-zielendes Medikament der nächsten Generation entwickelt und befindet sich derzeit in vorklinischen Tierversuchen. Bei allen Varianten stellten sie fest, dass 4d immer noch die Fähigkeit von HIV, seine Gene in menschliche Zellen zu integrieren, wirksam blockiert. Dies deutet darauf hin, dass 4d oder Varianten dieser Verbindung wirksam zur Behandlung des Virus bei Patienten eingesetzt werden können, die eine Resistenz gegen Dolutegravir entwickelt haben.

Die Strukturdaten darüber, wie 4d ​​an die Dolutegravir-resistenten Integrase-Proteine ​​bindet, deuteten auch darauf hin, wie neue Medikamente Arzneimittelresistenzen überwinden könnten.

„4d ist eigentlich nur ein Beispiel dafür, wie man Arzneimittelresistenzen bekämpfen kann, aber es liefert uns einige Grundprinzipien, von denen wir lernen können, um andere Therapeutika zu entwickeln“, sagt Co-Senior-Autor Robert Craigie vom National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (NIDDK), einem Teil der National Institutes of Health. „Die Art und Weise, wie sich ein Abschnitt des 4d-Moleküls wie eine flache Schicht auf einem Abschnitt der Integrase-Protein-DNA-Anordnung stapelt, könnte in anderen Verbindungen repliziert werden.“

Als nächstes werden die Wissenschaftler untersuchen, wie sich Integrase-Varianten entwickeln – einschließlich solcher, die noch nicht bei Patienten beobachtet wurden, aber in Zukunft möglich sein könnten – und wie sie sich auf die Reaktion auf die besten klinisch eingesetzten Medikamente sowie auf die Fähigkeit von HIV auswirken, Menschen zu infizieren.

Weitere Autoren sind Dario Oliveira Passos, Zelin Shan, Avik Biswas und Timothy S. Strutzenberg von Salk; Min Li, Zhaoyang Li, Steven J. Smith, Xue Zhi Zhao, Terrence R. Burke, Jr. und Stephen H. Hughes von den National Institutes of Health; Qinfang Sun, Indrani Choudhuri, Allan Haldane und Ronald M. Levy von der Temple University; Nanjie Deng von der Pace University; und Lorenzo Briganti und Mamuka Kvaratskhelia vom Anschutz Medical Campus der University of Colorado.

Die Arbeit wurde von den National Institutes of Health (U01 AI136680, R01 AI146017, U54 AI170855, R35 GM132090), dem NIDDK Intramural Program, der Margaret T. Morris Foundation, der Hearst Foundation, dem NIH Intramural Program, dem Center for Cancer Research, dem National Cancer Institute, dem NIH AIDS Intramural Targeted Program und einem F32 Postdoctoral Fellowship unterstützt (GM148049).

Der Inhalt dieser Pressemitteilung liegt in der alleinigen Verantwortung der Autoren und stellt nicht unbedingt die offiziellen Ansichten dar oder impliziert eine Billigung der National Institutes of Health.

DOI: 10.1126/sciadv.adg5953