Virus lidské imunodeficience (HIV) je impozantní patogen. Rychle mutuje; ve skutečnosti se odhaduje, že v daném časovém okamžiku je genetická diverzita HIV u jedné osoby ekvivalentní celosvětové diverzitě virů chřipky za rok. Kromě toho HIV vytváří struktury, které se chrání před rozpoznáním a napadením protilátkami a léky. Všechny tyto faktory přispívají k tomu, že HIV je nebezpečný, obtížně léčitelný virus.
Čím více se vědci dozví o biologickém procesu toho, jak HIV infikuje hostitelské buňky, tím lepší léčby mohou být navrženy tak, aby pronikly do obrany viru a zničily ho. Nyní v nové studii vědci z Kalifornského technologického institutu zobrazili strukturu nepolapitelného proteinu HIV v atomovém měřítku. Zjištění byla zveřejněna online 22. listopadu 2023 v časopise Nature pod názvem „Intermediate conformations of CD4-bound HIV-1 Env heterotrimers.
Nová studie byla provedena v laboratoři Dr. Pamely Björkman, profesorky biologie a bioinženýrství na Caltech. Prvními autory článku jsou postdoktorandi z Caltechu Kim-Marie Dam a Chengcheng Fan.
HIV primárně napadá imunitní buňky zvané T buňky a zneschopňuje je, takže nemohou chránit ostatní buňky v těle před infekcí. Když je HIV připraven vstoupit do T buňky, podstoupí řadu změn tvaru. K těmto změnám dochází v tom, co se nazývá obalový protein tohoto viru – tedy protein na povrchu tohoto viru, který umožňuje HIV vstoupit do hostitelské buňky. Protože jsou obalové proteiny tak důležité pro proces infekce virem, jsou dobrými cíli pro vývoj léků nebo vakcín.
Obalový protein HIV je „trimer“, podobný květu ve tvaru stativu: má tři „stonkové“ části, z nichž každá se nazývá gp41, a tři „okvětní lístek“ K zahájení infekce každý ze tří proteinů gp120 uchopí receptor zvaný CD4. na povrchu T buňky. Jakmile jsou tři receptory CD4 zachyceny třemi proteiny gp120, odkryjí místa, která jsou rozpoznána koreceptory hostitele, a na stonku obalového proteinu se objeví jehlovitá struktura, která viru umožní infikovat a vstoupit do lidských buněk. .
Ale co když „okvětní lístky“ gp120 obalového proteinu HIV mohou zachytit pouze jeden nebo dva receptory CD4? Byla by obálka stále plně otevřená, aby virus mohl infikovat buňku? Pochopení tohoto procesu by mohlo mít velký dopad na design léků. Kdyby bylo možné zabránit zachycení jednoho nebo dvou CD4 receptorů gp120, stačilo by to k zastavení infekce? K zodpovězení této nezodpovězené otázky se tito autoři pokusili zobrazit obalové proteiny HIV v přítomnosti pouze jednoho nebo dvou CD4 receptorů vázaných gp120.
Dam říká: "Strukturální charakterizace konformace obalových proteinů HIV umístěných v přechodném stavu je cenná pro základní pochopení toho, jak fungují proteiny HIV."
Ale zobrazení těchto struktur je výzvou: z biochemických důvodů není snadné ve zkumavce vytvořit „heterotrimery“ neboli obalové proteiny, které se vážou pouze na jeden nebo dva receptory CD4. Prostřednictvím inovativního inženýrského přístupu tito autoři vymysleli schéma pro konstrukci stabilních heterotrimerů. Poté využili Fanovy odborné znalosti v kryo-elektronové mikroskopii, což je delikátní experimentální proces, k pořízení strukturálních snímků heterotrimerů křehkých obalových proteinů HIV vázaných na receptory CD4.
Tyto struktury ukazují, že pokud jsou obalovým proteinem HIV vázány pouze jeden nebo dva receptory CD4, obalový protein není schopen se plně otevřít a podstoupit proces změny tvaru spojený s infekcí. Dam říká: "Jedna z hlavních otázek, které to vyvolává Nová studie zní: mohou obalové proteiny, které se nemohou plně otevřít, stále podporovat infekci?"
Obrázek z přírody, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06639-8.
Björkmanův tým pak výsledky sdílel s laboratoří Walther Mothes na Yale University, která prováděla podobné pokusy o zobrazení heterotrimerů. Sdílení informací mezi dvěma laboratořemi ukázalo, že volně plovoucí chování upraveného heterotrimeru ve zkumavce bylo pozoruhodně podobné chování obalových proteinů na povrchu viru HIV v „realističtějším“ scénáři infekce.
To je důležité zjištění, protože rozpustné heterotrimery obalových proteinů HIV se používají jako základ pro vývoj nových terapeutik a je důležité pochopit, zda přesně napodobují přirozené procesy.
Studie strukturní biologie, jako jsou tyto, jsou důležité nejen pro studium HIV, ale také pro studium mnoha různých druhů virů,“ říká Dam, „z HIV jsme se toho hodně naučili. Když začala pandemie COVID{0}}, použili jsme to, co jsme se naučili od HIV, na SARS-CoV-2.“
Björkman říká: "Tyto dříve neznámé struktury konformací proteinu obalu HIV ve středním stavu poskytují fascinující nové poznatky o strukturálních změnách řízených interakcemi receptorů před fúzí hostitelských a virových membrán. Naše studie nejen otevírá nové cesty pro zkoumání složitosti Infekce HIV, ale také poskytuje cenné poznatky, které se neomezují na terapeutický design, a zlepšuje naše celkové porozumění měnící se dynamice HIV."
