Salk-Wissenschaftler entschlüsseln die Struktur der HIV-Maschinerie

Salk-Wissenschaftler entschlüsseln die Struktur der HIV-Maschinerie

Die antivirale Therapie könnte mit den neu entdeckten Details auf atomarer Ebene verbessert werden

LA JOLLA – Wissenschaftler des Salk Institute haben die atomare Struktur einer Schlüsselmaschinerie aufgeklärt, die es HIV ermöglicht, sich in die DNA des menschlichen Wirts zu integrieren und sich im Körper zu vermehren, was den Forschern jahrzehntelang entgangen ist. Die Ergebnisse, die diese als „Intasome“ bekannte Maschinerie beschreiben, erscheinen am 6. Januar 2017 in Forschung und liefern strukturelle Hinweise, die die Entwicklung von Neuem beeinflussen HIV Drogen.

„Wir freuen uns besonders über die Fähigkeit, Mechanismen der Virusresistenz zu verstehen und zu bekämpfen“, sagt der leitende Autor der Studie Dmitri Ljumkis, ein Helmsley-Salk Fellow am Salk Institute. „HIV ist ein cleveres Virus und hat gelernt, selbst einigen der besten Medikamente auf dem Markt auszuweichen. Das Verständnis der Mechanismen des Virusaustritts und die Entwicklung breiter anwendbarer Medikamente werden in der Zukunft eine wichtige Richtung sein.“

Derzeit zielt eine Medikamentenklasse namens Integrase-Strangtransfer-Inhibitoren (INSTIs) auf das Intasom und ist in den USA und Europa bereits zur Behandlung von HIV zugelassen. Obwohl es sich um einige der besten verfügbaren Medikamente handelt, haben Wissenschaftler nur begrenzte Erkenntnisse über den genauen Wirkungsmechanismus von INSTIs und die Art und Weise gewonnen, wie das Virus Resistenzen entwickelt, indem sie auf die Strukturen eines ähnlichen Retrovirus (Prototyp des Foamy-Virus oder PFV) schließen ließen. . Das liegt daran, dass es bekanntermaßen schwierig ist, das HIV-Intasom selbst auf atomarer Ebene zu untersuchen.

„Jetzt haben wir den allerersten nativen Plan im Zusammenhang mit HIV, um die Mechanismen von INSTIs zu untersuchen“, sagt Lyumkis. Er und seine Mitarbeiter nutzen die Entdeckung bereits, um zu versuchen, die Fähigkeit von INSTIs zu verbessern, das Virus zu blockieren – „und Branchenforscher werden wahrscheinlich dasselbe tun“, fügt er hinzu.

Als Retrovirus fügt HIV eine DNA-Kopie seines RNA-Genoms in die DNA des Wirts ein, indem es das Intasom verwendet, das virale DNA mithilfe von Enzymen namens Integrasen schneidet und einfügt. 1994 bestimmten Wissenschaftler die Struktur eines kleinen Teils des Integrase-Enzyms. Seitdem haben Biologen mehrere andere Teile der HIV-Integrase sowie die Intasomen anderer Retroviren gelöst. Doch die gesamte Struktur des HIV-Intasoms war mit herkömmlichen Techniken weiterhin schwer zu lösen.

In der neuen Studie verwendeten Lyumkis und Kollegen eine hochmoderne Bildgebungstechnik namens Einzelpartikel-Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), die es Wissenschaftlern zunehmend ermöglicht, große, komplexe und dynamische Moleküle abzubilden (siehe Lyumkis‘ frühere Entwicklung auf diesem Gebiet). HIER). Das Team fügte ein bestimmtes Protein hinzu, um die Fähigkeit des Intasoms, sich in Flüssigkeit aufzulösen, zu verbessern, und badete das Intasom in einer sirupartigen Flüssigkeit namens Glycerin, der jede Menge Salz zugesetzt wurde, um ein Verklumpen zu verhindern. Dies sind extreme Bedingungen für eine Kryo-EM-Probe, im Fall des HIV-Intasoms waren sie jedoch notwendig. Anschließend haben die Wissenschaftler, aufbauend auf neuen technischen Fortschritten auf diesem Gebiet, die Kryo-EM-Maschine hochgefahren, um noch mehr Elektronen als üblich auf ihre Probe zu sprühen.

Alle retroviralen Intasomen verfügen über zentrale Strukturkomponenten, die die Integrationsfunktion erfüllen. Die Gruppe bemerkte einige Unterschiede, als sie die Enzymkerne von HIV mit denen von PFV verglich. „Obwohl diese Abweichungen geringfügig sind, könnten sie für die Arzneimittelentwicklung und das Verständnis der Mechanismen der Arzneimittelresistenz von großer Bedeutung sein“, sagt der Erstautor der Studie, Dario Passos, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter in Lyumkis‘ Labor.

Zur Überraschung der Gruppe sind HIV-Intasomen auch komplizierter und komplexer als andere Retroviren. Wissenschaftler wussten bereits, dass sie einen vierteiligen Kern haben, aber die neue Studie kommt zu dem Ergebnis, dass HIV-Intasomen viel mehr Einheiten haben, die sie „Spezies höherer Ordnung“ nennen. Es gibt Hinweise darauf, dass komplexere Versionen des Intasoms dazu dienen, HIV bei der Integration in das Wirtsgenom zu unterstützen.

Laut Lyumkis deutet die Komplexität des HIV-Intasoms darauf hin, wie die Natur seine Entwicklung ausgehend von einfacheren Retroviren gestaltet hat, die erheblich kleiner sind, aber dennoch dieselben Kernbestandteile des Enzyms verwenden. HIV kann Funktionen ausführen, die seine Verwandten nicht können, z. B. durch aktiven Transport Zugang zum Zellkern erhalten, anstatt auf die Zellteilung warten zu müssen. „HIV ist wie das Luxusauto, während andere Retroviren die Sparmodelle sind – beides sind Autos, aber das HIV-Intasom enthält wichtige Upgrades, um verschiedene Aufgaben zu erledigen“, fügt er hinzu.

Aufgrund der unterschiedlichen Strukturen in den Proben geht das Team davon aus, dass das HIV-Intasom mehrere Wege zum Zusammenbau einschlagen könnte. „Das ist zum jetzigen Zeitpunkt noch spekulativ, aber es ist eine faszinierende Möglichkeit und würde auf den zunehmenden Beweisen aufbauen, dass bestimmte makromolekulare Maschinen unterschiedliche Wege einschlagen, um das Endprodukt zusammenzubauen“, sagt Lyumkis. (Eine andere große molekulare Maschine namens Ribosom baut sich laut a ebenfalls auf unterschiedliche Weise zusammen separate Kryo-EM-Studie von seiner Gruppe.)

Die aktuelle Studie konzentrierte sich auf Intasomen, nachdem sie sich auf der Wirts-DNA zusammengefügt haben. Zukünftige Arbeiten werden jedoch die Strukturen vor ihrer Landung auf dem Wirtsgenom und im Zusammenhang mit gebundenen Arzneimitteln untersuchen. Zu diesem Zweck arbeitet die Gruppe auch daran, die Auflösung ihrer Strukturen zu erhöhen, von etwa 4 Angström in der neuen Studie auf etwa 2 Angström, was es ihnen beispielsweise ermöglichen würde, die chemischen Bindungen in Wassermolekülen zu sehen, was entscheidende Erkenntnisse liefern würde für die Entdeckung und Entwicklung von Arzneimitteln.

„Um die Auto-Analogie weiterzuführen: Wenn man wirklich verstehen möchte, wie das Auto funktioniert, um seine Leistung zu verändern, kann man nicht nur den ganzen Motor betrachten. Man muss es auseinandernehmen und in sich hineingraben, um es wirklich in- und auswendig zu verstehen“, sagt Lyumkis.

„Das Gleiche müssen wir mit diesen komplexen molekularen Strukturen tun, um Viren besser zu verstehen und gezielter anzugehen“, fügt Passos hinzu.

Weitere Autoren der Studie sind Min Li, Renbin Yang, Rodolfo Ghirlando und Robert Craigie vom Nationales Institut für Diabetes, Verdauungs- und Nierenkrankheiten in Bethesda, Maryland; Stephanie V. Rebensburg, Nikoloz Shkriabai und Mamuka Kvaratskhelia von Die Ohio State University in Columbus; und Youngmin Jeon von Salk.

Die Forschung wurde unterstützt von der National Institutes of Health, der Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust, dem Intramural Program des National Institute of Diabetes and Digestive Diseases der National Institutes of Health und von der Intramurales AIDS-gezieltes antivirales Programm des Büros des Direktors des NIH.