Ο ιός της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας (HIV) είναι ένα τρομερό παθογόνο. Μεταλλάσσεται γρήγορα. Στην πραγματικότητα, έχει υπολογιστεί ότι σε μια δεδομένη χρονική στιγμή, η γενετική ποικιλομορφία του HIV σε ένα άτομο είναι ισοδύναμη με την παγκόσμια ποικιλομορφία των ιών της γρίπης σε ένα χρόνο. Επιπλέον, ο HIV παράγει δομές που προστατεύουν τον εαυτό του από την αναγνώριση και την επίθεση από αντισώματα και φάρμακα. Όλοι αυτοί οι παράγοντες συμβάλλουν στο να γίνει ο HIV επικίνδυνος, δύσκολα θεραπευμένος ιός.
Όσο περισσότερα μαθαίνουν οι επιστήμονες για τη βιολογική διαδικασία του τρόπου με τον οποίο ο HIV μολύνει τα κύτταρα-ξενιστές, τόσο καλύτερες θεραπείες μπορούν να σχεδιαστούν για να διεισδύσουν στην άμυνα του ιού και να τον καταστρέψουν. Τώρα, σε μια νέα μελέτη, ερευνητές από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια απεικόνισαν τη δομή μιας άπιαστης πρωτεΐνης HIV σε ατομική κλίμακα. Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν ηλεκτρονικά στις 22 Νοεμβρίου 2023, στο περιοδικό Nature με τον τίτλο "Intermediate conformations of CD4-bound HIV-1 Env heterotrimers.
Η νέα μελέτη διεξήχθη στο εργαστήριο της Δρ. Pamela Björkman, καθηγήτριας βιολογίας και βιομηχανικής στο Caltech. Οι πρώτοι συγγραφείς της εργασίας είναι οι μεταδιδακτορικοί μελετητές του Caltech Kim-Marie Dam και Chengcheng Fan.
Ο HIV επιτίθεται κυρίως στα κύτταρα του ανοσοποιητικού που ονομάζονται Τ κύτταρα, απενεργοποιώντας τα, ώστε να μην μπορούν να προστατεύσουν άλλα κύτταρα του σώματος από μόλυνση. Όταν ο HIV είναι έτοιμος να εισέλθει σε ένα Τ κύτταρο, υφίσταται μια σειρά αλλαγών που αλλάζουν σχήμα. Αυτές οι αλλαγές συμβαίνουν σε αυτό που ονομάζεται πρωτεΐνη φακέλου αυτού του ιού - δηλαδή, η πρωτεΐνη στην επιφάνεια αυτού του ιού που επιτρέπει στον HIV να εισέλθει στο κύτταρο ξενιστή. Επειδή οι πρωτεΐνες του φακέλου είναι τόσο σημαντικές για τη διαδικασία μόλυνσης του ιού, είναι καλοί στόχοι για την ανάπτυξη φαρμάκων ή εμβολίων.
Η πρωτεΐνη του φακέλου του HIV είναι ένα «τριμερές», παρόμοιο με ένα λουλούδι σε σχήμα τρίποδου: έχει τρία τμήματα «βλαστού», το καθένα που ονομάζεται gp41 και τρία «πέταλα». στην επιφάνεια του Τ κυττάρου. Μόλις οι τρεις υποδοχείς CD4 καταληφθούν από τις τρεις πρωτεΐνες gp120, εκθέτουν θέσεις που αναγνωρίζονται από τους συν-υποδοχείς ξενιστή και εμφανίζεται μια δομή που μοιάζει με βελόνα στο στέλεχος της πρωτεΐνης φακέλου, επιτρέποντας στον ιό να μολύνει και να εισέλθει στα ανθρώπινα κύτταρα .
Τι θα γινόταν όμως αν τα «πέταλα» gp120 της πρωτεΐνης του φακέλου του HIV μπορούσαν να αρπάξουν μόνο έναν ή δύο υποδοχείς CD4; Θα ήταν ακόμα εντελώς ανοιχτός ο φάκελος για να επιτρέψει στον ιό να μολύνει το κύτταρο; Η κατανόηση αυτής της διαδικασίας θα μπορούσε να έχει σημαντικό αντίκτυπο στον σχεδιασμό του φαρμάκου. Εάν ένας ή δύο υποδοχείς CD4 μπορούσαν να αποτραπούν από την κατάσχεση από το gp120, θα ήταν αρκετό για να σταματήσει η μόλυνση; Για να απαντήσουν σε αυτό το αναπάντητο ερώτημα, αυτοί οι συγγραφείς προσπάθησαν να απεικονίσουν πρωτεΐνες φακέλου HIV παρουσία μόνο ενός ή δύο υποδοχέων CD4 που συνδέονται με gp120.
Ο Dam λέει, «Ο δομικός χαρακτηρισμός της διαμόρφωσης των πρωτεϊνών του φακέλου του HIV που βρίσκονται στην ενδιάμεση κατάσταση είναι πολύτιμος για μια θεμελιώδη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των πρωτεϊνών HIV».
Αλλά η απεικόνιση αυτών των δομών είναι μια πρόκληση: για βιοχημικούς λόγους, δεν είναι εύκολο να δημιουργηθούν «ετεροτριμερή», ή πρωτεΐνες φακέλου που συνδέονται μόνο με έναν ή δύο υποδοχείς CD4, στον δοκιμαστικό σωλήνα. Μέσω μιας καινοτόμου μηχανικής προσέγγισης, αυτοί οι συγγραφείς επινόησαν ένα σχήμα για την κατασκευή σταθερών ετεροτριμερών. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν την τεχνογνωσία του Fan στην κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία, μια λεπτή πειραματική διαδικασία, για να τραβήξουν δομικές εικόνες ετεροτριμερών εύθραυστων πρωτεϊνών φακέλου HIV συνδεδεμένων με υποδοχείς CD4.
Αυτές οι δομές δείχνουν ότι εάν μόνο ένας ή δύο υποδοχείς CD4 δεσμεύονται από την πρωτεΐνη φακέλου HIV, η πρωτεΐνη φακέλου δεν είναι σε θέση να ανοίξει πλήρως και να υποστεί τη διαδικασία αλλαγής σχήματος που σχετίζεται με τη μόλυνση. Ο Dam λέει, "Ένα από τα κύρια ερωτήματα που τίθενται από αυτό νέα μελέτη είναι: μπορούν οι πρωτεΐνες του φακέλου που δεν μπορούν να ανοίξουν πλήρως να προάγουν τη μόλυνση;».
Εικόνα από Φύση, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06639-8.
Στη συνέχεια, η ομάδα του Björkman μοιράστηκε τα αποτελέσματα με το εργαστήριο Walther Mothes στο Πανεπιστήμιο Yale, το οποίο διεξήγαγε παρόμοιες προσπάθειες απεικόνισης ετεροτριμερών. Η ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των δύο εργαστηρίων έδειξε ότι η συμπεριφορά ελεύθερης επίπλευσης του κατασκευασμένου ετεροτριμερούς σε δοκιμαστικό σωλήνα ήταν εντυπωσιακά παρόμοια με τη συμπεριφορά των πρωτεϊνών του φακέλου στην επιφάνεια του ιού HIV σε ένα πιο «ρεαλιστικό» σενάριο μόλυνσης.
Αυτό είναι ένα σημαντικό εύρημα επειδή τα διαλυτά ετεροτριμερή των πρωτεϊνών του φακέλου του HIV χρησιμοποιούνται ως βάση για την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών ουσιών και είναι σημαντικό να κατανοήσουμε εάν μιμούνται με ακρίβεια φυσικές διεργασίες.
Οι μελέτες δομικής βιολογίας όπως αυτές είναι σημαντικές όχι μόνο για τη μελέτη του HIV, αλλά και για τη μελέτη πολλών διαφορετικών ειδών ιών», λέει ο Dam, «Έχουμε μάθει πολλά από τον HIV. Όταν ξεκίνησε η πανδημία του COVID-19, εφαρμόσαμε όσα μάθαμε από τον HIV στον SARS-CoV-2."
Ο Björkman λέει, "Αυτές οι προηγουμένως άγνωστες δομές των διαμορφώσεων πρωτεΐνης φακέλου HIV σε μια ενδιάμεση κατάσταση παρέχουν συναρπαστικές νέες ιδέες για τις δομικές αλλαγές που προκαλούνται από τις αλληλεπιδράσεις των υποδοχέων πριν από τη σύντηξη των μεμβρανών του ξενιστή και του ιού. Η μελέτη μας όχι μόνο ανοίγει νέους δρόμους για την εξερεύνηση της πολυπλοκότητας του Η μόλυνση από τον ιό HIV, αλλά παρέχει επίσης πολύτιμες γνώσεις που δεν περιορίζονται στον θεραπευτικό σχεδιασμό και ενισχύει τη συνολική κατανόησή μας για τη μεταβαλλόμενη δυναμική του HIV».
