Bildgebende Verfahren lösen das Rätsel, wie ein großes HIV-Protein bei der Bildung eines infektiösen Virus funktioniert

Bildgebende Verfahren lösen das Rätsel, wie ein großes HIV-Protein bei der Bildung eines infektiösen Virus funktioniert

Detaillierte Einblicke in das HIV-Protein könnten zu neuartigen Behandlungsmethoden gegen das Virus führen

LA JOLLA – Das Verständnis, wie sich HIV in Zellen reproduziert, ist der Schlüssel zur Entwicklung neuer Therapien, die weltweit fast 40 Millionen Menschen mit HIV helfen könnten. Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern des Salk Institute und der Rutgers University zum ersten Mal die molekulare Struktur von HIV Pol bestimmt, einem Protein, das in den späten Stadien der HIV-Replikation oder dem Prozess, durch den sich das Virus selbst vermehrt, eine Schlüsselrolle spielt und breitet sich im Körper aus. Wichtig ist, dass die Bestimmung der Molekülstruktur dabei hilft, langjährige Fragen darüber zu beantworten, wie sich das Protein auflöst, um den Replikationsprozess voranzutreiben. Die Entdeckung, veröffentlicht in Wissenschaft Fortschritte am 6. Juli 2022 offenbart eine neue Schwachstelle des Virus, die mit Medikamenten angegangen werden könnte.

„Die Struktur beeinflusst die Funktion, und die Erkenntnisse, die wir durch die Visualisierung der molekularen Architektur von Pol gewonnen haben, geben uns ein neues Verständnis des Mechanismus, durch den sich HIV repliziert“, sagt Co-Hauptautor Dmitri Ljumkis, Assistenzprofessor am Labor für Genetik und Lehrstuhl für Entwicklungsentwicklung der Hearst Foundation in Salk.

Wissenschaftler wussten zuvor, dass HIV Pol, ein Polyprotein, in drei Enzyme – eine Protease, Reverse Transkriptase und Integrase – zerfällt, die zusammenarbeiten, um die reife Form des Virus zusammenzusetzen. Die Protease spielt eine entscheidende Rolle bei der Einleitung dieses Prozesses, indem sie das Molekül zerhackt, um die anderen Komponenten zu trennen. Bisher war jedoch unbekannt, wie sich die Protease selbst zunächst vom größeren Polyprotein HIV Gag-Pol und dann von HIV Pol löst, um diese Aufgabe zu erfüllen. Die neue Arbeit legt nahe, dass die Protease den Prozess einleitet, indem sie sich selbst spaltet oder vom Rest des Moleküls freischneidet, unterstützt durch Reverse Transkriptase und möglicherweise Integrase.

„Es war bekannt (aber nicht verstanden), dass es eine Kopplung zwischen diesen Enzymen gibt, bevor HIV Pol auseinanderbricht. Die Visualisierung der HIV-Pol-Struktur erklärt die Grundlage für diesen komplexen Mechanismus“, sagt Co-Senior-Autor Eddy Arnold, Board of Governors-Professor und angesehener Professor am Center for Advanced Biotechnology and Medicine der Rutgers University.

„Die erste Herausforderung bestand darin, eine stabile Version von HIV Pol zu produzieren, damit die Struktur analysiert werden konnte, über die noch nie zuvor berichtet wurde“, sagt Co-Erstautor Jerry Joe Harrison, Dozent an der University of Ghana.

„Dies war ein entscheidendes fehlendes Teil des HIV-Strukturpuzzles“, fügt Arnold hinzu.

Das Team nutzte die kryogene Elektronenmikroskopie, eine bildgebende Technik, zu der Lyumkis wichtige Beiträge geleistet hat, um die dreidimensionale Struktur des HIV-Pol-Proteinmoleküls aufzudecken. Dies führte zu der Entdeckung, dass Pol ein Dimer ist, was bedeutet, dass es aus zwei aneinander gebundenen Proteinen besteht. Der Befund war eine Überraschung, da es sich bei anderen ähnlichen viralen Proteinen um Einzelproteinanordnungen handelt.

Die Gruppe zeigte, dass in dieser zweiseitigen Struktur die Protease-Komponente von Pol in einer Bindungskonfiguration, die die Protease leicht flexibel hält, „locker an die Reverse-Transkriptase-Komponente gebunden“ ist.

„Es hält die Protease locker auf Armeslänge fern, und wir glauben, dass dies der Protease ein wenig Bewegung verleiht, was ihr wiederum ermöglicht, das Schneiden von Polyproteinen einzuleiten, was eine Voraussetzung für die Reifung des Virus ist“, sagt Co-Erstautor Dario Passos, ein ehemaliger Forscher in Lyumkis‘ Labor in Salk. „Aktuelle HIV-Behandlungen umfassen mehrere Klassen von Inhibitoren für alle drei Enzyme, und die Entdeckung enthüllt auch eine neue Schwachstelle, die mit Medikamenten angegangen werden könnte.“

Die Autoren sagen, dass die Entdeckung die Tür für wichtige Folgeforschung öffnet, einschließlich Studien zur Struktur des größeren und komplexeren Polyproteins Gag-Pol, das ebenfalls an der Virusassemblierung beteiligt ist, sowie eine genauere Betrachtung der Rolle der Integrase dabei Zusammenbau der reifen Form des HIV-Virus während der Replikation.

Weitere Autoren waren Jessica F. Bruhn von Salk; Joseph Bauman, Lynda Tuberty und Francesc Xavier Ruiz von Rutgers; und Jeffrey DeStefano von der University of Maryland.

Die Arbeit wurde von den National Institutes of Health, dem International Institute of Education, dem Fulbright-Programm, der Margaret T. Morris Foundation und den Hearst Foundations finanziert.

DOI: 10.1126/sciadv.abn9874