Die Bildgebung löst das Rätsel, wie große HIV-Proteine ​​funktionieren, um infektiöse Viren zu bilden

Das Verständnis, wie sich HIV in Zellen repliziert, ist der Schlüssel zur Entwicklung neuer Therapien, die weltweit fast 40 Millionen Menschen helfen könnten, die mit HIV leben. 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 eine Schlüsselrolle in den späten Stadien der HIV-Replikation oder des Prozesses spielt, durch den sich das Virus fortpflanzt und breitet sich im Körper aus. Wichtig ist, dass die Bestimmung der Struktur des Moleküls dazu beiträgt, langjährige Fragen darüber zu beantworten, wie sich das Protein selbst zerlegt, um den Replikationsprozess voranzutreiben. Die Entdeckung, veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte am 6. Juli 2022, enthüllt eine neue Schwachstelle des Virus, die mit Medikamenten angegriffen werden könnte.

„Struktur informiert über Funktion, und die Erkenntnisse, die wir aus der Visualisierung der molekularen Architektur von Pol gewonnen haben, geben uns ein neues Verständnis des Mechanismus, durch den sich HIV repliziert“, sagt Co-Senior-Autor Dmitry Lyumkis, Assistenzprofessor am Labor für Genetik und Entwicklung der Hearst Foundation Lehrstuhl bei Salk.

Wissenschaftler wussten zuvor, dass HIV Pol, ein Polyprotein, in drei Enzyme zerfällt – eine Protease, eine reverse Transkriptase und eine Integrase – die zusammenarbeiten, um die reife Form des Virus zusammenzusetzen. Die Protease spielt eine entscheidende Rolle bei der Initiierung dieses Prozesses, indem sie das Molekül zerhackt, um die anderen Komponenten zu trennen. Bisher war jedoch unbekannt, wie sich die Protease selbst löst, zuerst von dem größeren Polyprotein HIV Gag-Pol und dann von HIV Pol, um diese Aufgabe zu erfüllen. Das neue Papier legt nahe, dass die Protease den Prozess initiiert, indem sie sich selbst spaltet oder sich vom Rest des Moleküls löst, 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, Professor und Board of Governors 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 worden war“, sagt Co-Erstautor Jerry Joe Harrison, Dozent an der Universität von Ghana.

„Dies war ein wichtiges fehlendes Teil des strukturellen HIV-Puzzles“, fügt Arnold hinzu.

Das Team verwendete 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 überraschend, da andere ähnliche virale Proteine ​​Einzelprotein-Ansammlungen sind.

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

„Es hält die Protease locker auf Distanz, und wir glauben, dass dies der Protease ein wenig Bewegung gibt, was es ihr wiederum ermöglicht, das Schneiden von Polyproteinen einzuleiten, was eine Voraussetzung für die Virusreifung 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 zeigt auch eine neue Schwachstelle, die mit Medikamenten angegriffen werden könnte.“

Die Autoren sagen, dass die Entdeckung die Tür für wichtige Folgeforschungen öffnet, einschließlich Studien zur Struktur des größeren und komplexeren Polyproteins Gag-Pol, das auch an der viralen Assemblierung beteiligt ist, sowie einen genaueren Blick auf die Rolle der Integrase in Zusammenbau der reifen Form des HIV-Virus während der Replikation.

Andere 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.