Neue Erkenntnisse darüber, wie HIV-1 das Hüllprotein zusammensetzt und einbaut

Der Zusammenbau von HIV-1, das AIDS verursacht, findet auf dem inneren Plasmamembranblatt infizierter Zellen statt, ein geometrischer Aufbauprozess, der Hexamere aus Trimeren des viralen Gag-Proteins erzeugt, wie es von der N-terminalen Matrixdomäne von Gag geleitet wird.

Dennoch fehlten seit vier Jahrzehnten bestimmte Details dieser Virion-Ansammlung. In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Proceedings of the National Academy of SciencesJamil Saad, Ph.D., und Kollegen stellen die erste atomare Ansicht des Matrixgitters bereit, die molekulare Details bei einer Auflösung von 2,1 Angström zeigt, ein Schritt, der das Verständnis der Schlüsselmechanismen der viralen Assemblierung und des Einbaus viraler Hüllproteine ​​vorantreibt.

„Unsere Erkenntnisse könnten die Entwicklung neuer therapeutischer Wirkstoffe erleichtern, die den Zusammenbau von HIV-1, den Einbau in die Hülle und letztendlich die Virusproduktion hemmen“, sagte Saad, Professor für Mikrobiologie an der University of Alabama in Birmingham.

Das Gag-Protein wird posttranslational modifiziert, indem eine lipidähnliche Myristatgruppe hinzugefügt wird, um die Bindung von Gag an die Plasmamembran zu unterstützen. Wie sich die myristoylierte Matrixdomäne oder myrMA von Gag zu einem Gitter zusammensetzt, entzog sich bisher der Entdeckung.

Techniken mit niedriger molekularer Auflösung – wie Kryo-Elektronenbeugung und Kryo-Elektronentomographie – deuteten darauf hin, dass sich das myrMA-Protein als Trimere organisiert und diese Trimere dann einer Organisation höherer Ordnung unterliegen, um Hexamere von Trimeren zu bilden. Saads Studie stimmt mit einer kürzlich durchgeführten Studie überein, die darauf hindeutet, dass das myrMA-Protein dramatische strukturelle Veränderungen erfährt, um die Bildung unterschiedlicher hexamerer Gitter in unreifen und reifen Viruspartikeln zu ermöglichen. Die Virusreifung ist der letzte Schritt des Virusreplikationszyklus, da sich der Kapsidkern im zusammengesetzten Virus bildet und infektiöse Partikel hervorbringt.

Das Hüllprotein von HIV-1 oder Env ist ein Transmembranprotein, das über den Sekretionsweg der Zelle an die Plasmamembran abgegeben wird. Der Großteil des Env-Proteins erstreckt sich über die Membran hinaus, aber ein Schwanz hängt durch die Membran zurück in das Innere der Zelle. Genetische und biochemische Studien haben nahegelegt, dass der Einbau des viralen Env-Proteins in die Viruspartikel auch von der Wechselwirkung zwischen der myrMA-Domäne und dem zytoplasmatischen Schwanz von Env abhängt. Im Jahr 2017 löste Saads Labor die hochauflösende Struktur des zytoplasmatischen Schwanzes von Env, der letzten unbekannten Proteinstruktur von HIV-1.

Env ist ein Schlüsselprotein für die Infektiosität. Wenn sich ein reifes HIV-1-Virus einer Zielzelle nähert, heftet sich Env an Proteine ​​auf der Außenseite der nicht infizierten Zelle, und dann schnappt das Env-Protein wie eine Mausefalle zu, um die Virusmembran mit der Zellmembran zu verschmelzen.

In den von Saad und UAB-Kollegen beschriebenen Strukturen spielt die Myristinsäure von myrMA eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung der Gitterstruktur, daher war die Fähigkeit zur Bildung von myrMA-Kristallen wichtig. Sie erreichten diese schwer fassbare technische Herausforderung, indem sie 20 Aminosäuren vom Ende der 132 Aminosäuren langen myrMA entfernten. Es ist bekannt, dass die Bildung eines Gag-Gitters auf der Plasmamembran obligatorisch für den Zusammenbau von unreifem HIV-1 und Env-Einbau ist.

Saad und Kollegen berichten, dass ihr myrMA-Gitter als Hexamer von Trimeren mit einem zentralen Loch angeordnet ist, von dem angenommen wird, dass es den C-terminalen Schwanz von Env aufnimmt, um den Einbau in Virionen zu fördern. Ihre myrMA-Kristalle ermöglichten es ihnen, die angehängte myr-Gruppe im Gitter zu beobachten. Sie fanden heraus, dass sich die myr-Gruppe einer Untereinheit von myrMA in den hydrophoben Hohlraum der Untereinheit über die zweifache Achse einfügt und einen „Myristoyl-Austausch“ einführt, und sie berichteten auch über andere molekulare Wechselwirkungen zwischen Trimeren. Die Forscher beschrieben zusätzliche molekulare Details, die helfen, das Hexamer-Trimer-Gitter zu stabilisieren.

Durch die Durchführung von Mutagenesestudien in Verbindung mit einer Kernspinresonanz- oder NMR-Technik lieferten die Forscher den Beweis, dass eine einzelne Aminosäuresubstitution in der Matrix – Leucin-13 oder Leucin-31 zu einer Glutaminsäure – eine Konformationsänderung in myrMA induziert, die destabilisieren kann die Trimer-Trimer-Wechselwirkungen innerhalb des Gitters. Frühere genetische Studien zeigten, dass die Substitution von Leucin-13 oder Leucin-31 nachteilige Auswirkungen auf die Env-Inkorporation hat.

Eine weitere wichtige Entdeckung in dieser Studie ist der Nachweis eines alternierenden Membranbindungsmechanismus von Gag, von dem bekannt ist, dass er ausschließlich durch Wechselwirkungen der myrMA-Domäne mit Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat oder PI(4,5)P2, einem Lipid, vermittelt wird lokalisiert auf dem inneren Blatt der Plasmamembran. Die UAB-Forscher zeigten, dass PI(4,5)P2 in der Lage ist, an alternative Stellen auf MA zu binden. Dies steht im Einklang mit einem neuartigen Mechanismus für die alternierende MA-Membran-Bindung an PI(4,5)P2 während des Zusammenbaus des unreifen Partikels und während der Reifung.

„Abschließend haben wir eine atomare Ansicht des HIV-1-myrMA-Gitters bereitgestellt, die unschätzbare strukturelle Einblicke in die Anordnung der myrMA-Untereinheiten, Trimere, die Trimer-Trimer-Grenzfläche, den Myr-Austausch und den Einfluss von MA-Mutationen ohne Env-Einbau lieferte die Struktur von myrMA und folglich die Gitterbildung“, sagte Saad. „Unsere Daten unterstützten auch einen alternierenden MA-PI(4,5)P2-Bindungsmechanismus während der Virusassemblierung und -reifung. Diese Ergebnisse haben eine große Lücke in unserem Verständnis der Mechanismen der Gag-Assemblierung auf der Plasmamembran und der Env-Inkorporation in Viruspartikel geschlossen .“

Co-Autoren mit Saad in der Studie „Atomic view of the HIV-1 matrix lattice. Implications on virus assembly andvelop incorporation“ sind Alexandra B. Samal und Todd J. Green, UAB Department of Microbiology, Marnix E. Heersink School der Medizin.