Salk-wetenschappers kraken de structuur van HIV-machines

Salk-wetenschappers kraken de structuur van HIV-machines

Antivirale therapie kan worden verbeterd met de nieuw ontdekte details op atomair niveau

LA JOLLA - Wetenschappers van het Salk Institute hebben de atomaire structuur opgelost van een belangrijk onderdeel van een machinerie waarmee HIV kan integreren in het DNA van de menselijke gastheer en zich kan vermenigvuldigen in het lichaam, wat onderzoekers al tientallen jaren is ontgaan. De bevindingen die deze machinerie, bekend als het "intasoom", beschrijven, verschijnen op 6 januari 2017 in Wetenschap en structurele aanwijzingen opleveren die de ontwikkeling van nieuwe informeren HIV drugs.

"We zijn vooral enthousiast over het vermogen om mechanismen van virale resistentie te begrijpen en te bestrijden", zegt de hoofdauteur van het onderzoek Dmitri Lyumkis, een Helmsley-Salk Fellow aan het Salk Institute. “HIV is een slim virus en heeft geleerd om zelfs enkele van de beste medicijnen op de markt te omzeilen. Het begrijpen van de mechanismen van virale ontsnapping en het ontwikkelen van breder toepasbare medicijnen zal in de toekomst een belangrijke richting zijn."

Momenteel richt een klasse geneesmiddelen, integrase strand transfer inhibitors (INSTI's) genaamd, zich op het intasoom en is al goedgekeurd voor de behandeling van HIV in de VS en Europa. Ondanks dat het enkele van de beste beschikbare medicijnen zijn, hebben wetenschappers slechts een beperkt inzicht gekregen in het precieze werkingsmechanisme van INSTI's en hoe het virus weerstand opbouwt, door de conclusie te trekken uit structuren van een vergelijkbaar retrovirus (het prototype schuimvirus of PFV genoemd). . Dat komt omdat het hiv-intasoom zelf notoir moeilijk te bestuderen is op atomair niveau.

"Nu hebben we de allereerste inheemse blauwdruk in de context van HIV voor het bestuderen van de mechanismen van INSTI's", zegt Lyumkis. Hij en zijn medewerkers gebruiken de ontdekking al om te proberen het vermogen van INSTI's om het virus te blokkeren te verbeteren - "en onderzoekers uit de industrie zullen waarschijnlijk hetzelfde doen", voegt hij eraan toe.

Als een retrovirus brengt HIV een DNA-kopie van zijn RNA-genoom in het DNA van de gastheer met behulp van het intasoom, dat viraal DNA knipt en plakt met behulp van enzymen die integrasen worden genoemd. In 1994 bepaalden wetenschappers de structuur van een klein deel van het integrase-enzym. Sindsdien hebben biologen verschillende andere delen van het HIV-integrase opgelost, evenals de intasomen van andere retrovirussen. Maar de hele structuur van het HIV-intasoom bleef moeilijk op te lossen met conventionele technieken.

In de nieuwe studie gebruikten Lyumkis en collega's een geavanceerde beeldvormingstechniek genaamd cryo-elektronenmicroscopie met één deeltje (cryo-EM), waarmee wetenschappers steeds vaker grote, complexe en dynamische moleculen in beeld kunnen brengen (zie de eerdere ontwikkeling van Lyumkis op dit gebied hier). Het team voegde een specifiek eiwit toe om het vermogen van het intasoom om in vloeistof op te lossen te verbeteren en baadde het intasoom in een siroopachtige vloeistof genaamd glycerol, met veel zout toegevoegd om klonteren te voorkomen. Dit zijn extreme omstandigheden voor een cryo-EM-monster, maar ze waren noodzakelijk in het geval van het HIV-intasoom. Vervolgens, voortbouwend op nieuwe technische vooruitgang in het veld, hebben de wetenschappers de cryo-EM-machine opgevoerd om nog meer elektronen op hun monster te spuiten dan normaal.

Alle retrovirale intasomen hebben structurele kerncomponenten die de integratiefunctie uitvoeren. De groep merkte enkele verschillen op toen ze de enzymkernen van hiv vergeleken met die van PFV. "Hoewel deze variaties klein zijn, kunnen ze een groot probleem zijn voor de ontwikkeling van geneesmiddelen en voor het begrijpen van mechanismen van resistentie tegen geneesmiddelen", zegt de eerste auteur van het onderzoek, Dario Passos, een senior onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Lyumkis.

Tot verbazing van de groep zijn hiv-intasomen ook ingewikkelder en complexer dan andere retrovirussen. Wetenschappers wisten al dat ze een vierdelige kern hadden, maar de nieuwe studie constateert dat hiv-intasomen veel meer eenheden hebben, wat zij "hogere orde" soorten noemen. Er zijn aanwijzingen dat complexere versies van het intasoom een ​​doel dienen om hiv te helpen zichzelf te integreren in het gastheergenoom.

Lyumkis zegt dat de complexiteit van het HIV-intasoom erop duidt hoe de natuur zijn evolutie heeft gevormd van eenvoudigere retrovirussen, die aanzienlijk kleiner zijn, maar toch dezelfde stukjes enzym gebruiken. HIV kan functies uitvoeren die zijn verwanten niet kunnen, zoals toegang krijgen tot de celkern door middel van actief transport in plaats van te moeten wachten tot de cel zich deelt. "HIV is als een luxe auto, terwijl andere retrovirussen economische modellen zijn - het zijn beide auto's, maar het HIV-intasoom bevat belangrijke upgrades om verschillende taken uit te voeren", voegt hij eraan toe.

Op basis van de verschillende structuren die in de monsters aanwezig zijn, denkt het team dat het HIV-intasoom meerdere routes kan nemen voor assemblage. "Dat is op dit moment speculatief, maar het is een intrigerende mogelijkheid en zou voortbouwen op toenemend bewijs dat bepaalde macromoleculaire machines verschillende routes nemen om het eindproduct te assembleren", zegt Lyumkis. (Een andere grote moleculaire machine, het ribosoom genaamd, assembleert ook op verschillende manieren, volgens a aparte cryo-EM studie door zijn groep.)

De huidige studie concentreerde zich op intasomen nadat ze zich op gastheer-DNA hebben verzameld, maar toekomstig werk zal de structuren bestuderen voordat ze op het gastheergenoom landen en in de context van gebonden medicijnen. Daartoe werkt de groep ook aan het verhogen van de resolutie van hun structuren, van ~ 4 Angstrom-resolutie in de nieuwe studie tot ~ 2 Angstrom, waardoor ze bijvoorbeeld de chemische bindingen in watermoleculen kunnen zien, wat cruciaal inzicht bewijst voor de ontdekking en ontwikkeling van geneesmiddelen.

“Als je de auto-analogie nog verder doortrekt: als je echt wilt begrijpen hoe de auto werkt om zijn prestaties aan te passen, kun je niet alleen naar een hele motor kijken. Je moet het uit elkaar halen en erin graven om het echt van binnen en van buiten te begrijpen', zegt Lyumkis.

"We moeten hetzelfde doen met deze complexe moleculaire structuren om virussen beter te begrijpen en aan te pakken", voegt Passos toe.

Andere auteurs van de studie zijn Min Li, Renbin Yang, Rodolfo Ghirlando en Robert Craigie van de National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases in Bethesda, Maryland; Stephanie V. Rebensburg, Nikoloz Shkriabai en Mamuka Kvaratskhelia van De Ohio State University in Columbus; en Youngmin Jeon van Salk.

Het onderzoek werd ondersteund door de National Institutes of Health Leona M. en Harry B. Helmsley Charitable Trust, het intramurale programma van het National Institute of Diabetes and Digestive Diseases van de National Institutes of Health, en door de Intramuraal AIDS-gericht antiviraal programma van het bureau van de directeur van de NIH.