30. Januar 2020

Bildgebende Untersuchung der wichtigsten Virusstruktur zeigt, wie HIV-Medikamente auf atomarer Ebene wirken

Die Erkenntnisse des Salk Institute werden dazu beitragen, die Entwicklung neuer und verbesserter Behandlungen für HIV zu unterstützen

Salk-Nachrichten


Bildgebende Untersuchung der wichtigsten Virusstruktur zeigt, wie HIV-Medikamente auf atomarer Ebene wirken

Die Erkenntnisse des Salk Institute werden dazu beitragen, die Entwicklung neuer und verbesserter Behandlungen für HIV zu unterstützen

LA JOLLA – Salk-Wissenschaftler haben herausgefunden, wie eine wirksame Klasse von HIV-Medikamenten an ein Schlüsselelement der HIV-Maschinerie bindet. Indem die Forscher erstmals die dreidimensionalen Strukturen dieses Komplexes auflösten, während verschiedene Medikamente angebracht waren, zeigten sie, was die Therapie so wirksam macht. Das Werk, das in erschien Forschung vom 30. Januar 2020 liefert Erkenntnisse, die bei der Entwicklung oder Verbesserung neuer Behandlungsmethoden für HIV helfen könnten.

„Die von uns untersuchten Medikamente sind die neuesten Verbindungen, die heute in der Klinik verfügbar sind, sowie mehrere wichtige präklinische Moleküle. Bisher wusste niemand genau, wie sie sich an diesen HIV-Komplex binden“, sagt der leitende Autor der Studie Dmitri Ljumkis, Assistenzprofessor im Labor für Genetik von Salk. „Ein besseres Verständnis der Wirkungsweise der Medikamente wird uns helfen, sie zu verbessern und neue therapeutische Verbindungen zu entwickeln.“

Diese Abbildung zeigt die molekulare Struktur eines HIV-Arzneimittels namens INSTI, das an Schlüsselstellen des Intasoms (gelb) bindet, der Virusmaschine, die es HIV ermöglicht, in Zellen einzudringen. Die roten Kugeln stellen DNA dar.
Diese Abbildung zeigt die molekulare Struktur eines HIV-Medikaments (in der Mitte), das an eine aktive Stelle des HIV-Intasoms (umgebende Struktur) gebunden ist, der Virusmaschine, die es HIV ermöglicht, menschliche Immunzellen zu infizieren. Durch das Füllen der Bindungstasche blockiert das Medikament die normale Funktion der Maschine und verhindert so, dass das Virus eine Infektion in der Zielzelle auslöst.

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Bildnachweis: Salk Institute

Das Intasom ist eine entscheidende Struktur des Virus, die eine Infektion ermöglicht. Es besteht aus dem HIV-Protein Integrase und Strängen viraler DNA, die sich bilden, wenn das Virus in menschliche Zellen eindringt. Das Intasom wandert in jede menschliche Zelle und führt dann die notwendigen chemischen Reaktionen durch, um das genetische Material des Virus in die menschliche DNA zu integrieren.

Einige Medikamente, sogenannte Integrase-Strangtransfer-Inhibitoren (INSTIs), haben es geschafft, das Intasom zu blockieren; HIV kann keine menschlichen Zellen infizieren, wenn der Komplex nicht in der Lage ist, virale DNA in das menschliche Genom zu integrieren. Derzeit sind vier INSTIs von der US-amerikanischen Food and Drug Administration zugelassen, weitere befinden sich in der Entwicklung.

Trotz des Erfolgs dieser Moleküle hatten Forscher Schwierigkeiten, zu untersuchen, wie sie das HIV-Intasome hemmen, was hauptsächlich auf die Schwierigkeit zurückzuführen ist, Intasomen für Strukturstudien zu isolieren. In der Vergangenheit wurden die meisten Untersuchungen zum Intasom und zu INSTIs an einem anderen Retrovirus namens Prototyp Foamy Virus (PFV) durchgeführt. Im Jahr 2017 stellten Lyumkis und seine Kollegen als Erste fest die Struktur gereinigter HIV-Intasomen.

In der neuen Arbeit ging Lyumkis‘ Team noch einen Schritt weiter: Sie ermittelten die Struktur von HIV-Intasomen, während diese aktiv durch eines von vier INSTIs blockiert wurden – das kommerziell erhältliche Medikament Bictegravir oder drei experimentelle Verbindungen namens 4f, 4d und 4c. Das Team nutzte die geneigte Einzelpartikel-Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), eine bildgebende Technik Sie haben zur Optimierung beigetragen, um die Struktur jedes Intasom-Wirkstoffkomplexes aufzudecken.

Die erste Beobachtung, die Lyumkis machte, war, wie unterschiedlich die Medikamente an das HIV-Intasom gebunden waren, als das, was man am PFV-Intasom beobachtet hatte. Die als 4f bekannte Verbindung bildet beispielsweise eine Schleife auf sich selbst, wenn sie an das PFV-Intasom bindet, bleibt aber relativ flach, wenn sie sich an die HIV-Version des Komplexes bindet. Details, die Forschern dabei helfen können, die Bindungseigenschaften potenzieller zukünftiger Moleküle zu verbessern.

„Bis heute nutzt jeder die PFV-Intasomenstruktur, um den Wirkungsmechanismus dieser Medikamente zu rationalisieren und zu verstehen“, sagt Dario Passos, Co-Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor von Lyumkis. „Aber wir haben gezeigt, dass sich das Fachgebiet wirklich weiterentwickeln und die HIV-Struktur untersuchen muss, wenn wir weitere Fortschritte erzielen wollen.“

Von links: Dario Oliveira Passos, Dmitry Lyumkis und Ilona K. Jóźwik
Von links: Dario Oliveira Passos, Dmitry Lyumkis und Ilona K. Jóźwik

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Bildnachweis: Salk Institute

„Wir und viele andere arbeiten seit mehreren Jahrzehnten auf dieses Ziel hin und es ist aufregend, dass wir nun endlich verstehen können, wie HIV-Hemmer im Detail wirken und die Entwicklung neuer Medikamente unterstützen.“ sagt Min Li, Co-Erstautorin und wissenschaftliche Mitarbeiterin am National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases.

Die Strukturen enthüllten auch, warum die Medikamente so wirksam sind und was sie so gut bei der Vermeidung von Arzneimittelresistenzen macht. Lyumkis und seine Kollegen fanden heraus, dass die INSTIs den gesamten Raum ausfüllen, den normalerweise die DNA einnimmt. Das heißt, wenn das HIV-Intasom eine Mutation entwickelt, die die Bindung der INSTI-Medikamente blockiert, blockiert sie auch die Bindung der DNA, wodurch der Komplex für eindringende menschliche Zellen unbrauchbar wird.

Schließlich ermöglicht die extrem hohe Auflösung der von den Salk-Forschern erhaltenen Struktur, Details darüber zu erkennen, wie die Medikamente chemisch mit dieser Bindungstasche interagierten und wie INSTIs dabei Wassermoleküle verdrängten, was dem Team noch mehr Informationen darüber lieferte, was INSTIs ausmacht so erfolgreich in der Klinik.

„In früheren Strukturen haben wir etwas über die Biologie des Intasoms gelernt“, sagt Lyumkis. „Aber hier haben wir wirklich begonnen, Einblicke in den therapeutischen Aspekt zu gewinnen, wie Medikamente auf diese wichtigen Virusgruppen abzielen können.“

Die Forscher planen zusätzliche Arbeiten an den experimentellen Medikamenten – mit Schwerpunkt auf der Verbindung namens 4d, die sowohl auf der Grundlage präklinischer Tests als auch der neuen strukturellen Erkenntnisse vielversprechender gegen HIV ist als andere Verbindungen. Sie wollen auch besser verstehen, was mit der Struktur des Intasoms passiert, wenn es eine Resistenz gegen INSTIs entwickelt. Dies könnte ihnen helfen, in Zukunft effizientere Medikamente zu entwickeln, sagt Lyumkis.

Weitere Forscher an der Studie waren Ilona Jóźwik und Youngmin Jeon von Salk; Renbin Yang und Robert Craigie vom National Institute of Diabetes and Digestive Diseases; Xue Zhi Zhao, Steven Smith, Stephen Hughes und Terrence Burke Jr. vom National Cancer Institute; und Diogo Santos-Martins und Stefano Forli vom Scripps Research Institute.

Die Arbeit und die beteiligten Forscher wurden durch Zuschüsse der National Institutes of Health, der Intramural Programs des National Institute of Diabetes and Digestive Diseases, der Intramural Programs des National Cancer Institute und des Intramural AIDS Targeted Anti-Viral Program des unterstützt Nationales Gesundheitsinstitut.

DOI: 10.1126/science.aay8015

INFORMATIONEN ZUR VERÖFFENTLICHUNG

JOURNAL

Forschung

TITEL

Strukturelle Grundlage für die Bindung von Strand-Transfer-Inhibitoren an HIV-Intasomen

AUTOREN

Dario Oliveira Passos, Min Li, Ilona K. Jóźwik, Xue Zhi Zhao, Diogo Santos-Martins, Renbin Yang, Steven J. Smith, Youngmin Jeon, Stefano Forli, Stephen H. Hughes, Terrence R. Burke, Jr., Robert Craigie , Dmitry Lyumkis

Forschungsgebiete

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