Humant immunbristvirus (HIV) är en formidabel patogen. Den muterar snabbt; i själva verket har det uppskattats att vid en given tidpunkt är den genetiska mångfalden av HIV hos en enda person likvärdig med den globala mångfalden av influensavirus under ett år. Dessutom producerar HIV strukturer som skyddar sig från att kännas igen och attackeras av antikroppar och läkemedel. Alla dessa faktorer bidrar till att göra hiv till ett farligt, svårbehandlat virus.
Ju mer forskare lär sig om den biologiska processen för hur HIV infekterar värdceller, desto bättre behandlingar kan utformas för att penetrera virusets försvar och förstöra det. Nu, i en ny studie, har forskare från California Institute of Technology avbildat strukturen av ett svårfångat HIV-protein i atomär skala. Fynden publicerades online den 22 november 2023 i tidskriften Nature under titeln "Intermediate conformations of CD4-bound HIV-1 Env heterotrimers.
Den nya studien genomfördes i labbet av Dr. Pamela Björkman, professor i biologi och bioteknik vid Caltech. De första författarna till artikeln är Caltech postdoktorala forskare Kim-Marie Dam och Chengcheng Fan.
HIV angriper främst immunceller som kallas T-celler och inaktiverar dem så att de inte kan skydda andra celler i kroppen från infektion. När HIV är redo att komma in i en T-cell genomgår den ett antal formförändringar. Dessa förändringar sker i det som kallas höljesproteinet hos detta virus - det vill säga proteinet på ytan av detta virus som tillåter HIV att komma in i värdcellen. Eftersom höljesproteinerna är så viktiga för virusets infektionsprocess är de bra mål för läkemedels- eller vaccinutveckling.
HIV-höljesproteinet är en "trimer", som liknar en stativformad blomma: den har tre "stjälk"-sektioner, var och en kallad gp41, och tre "kronblad" "För att initiera infektion tar vart och ett av de tre gp120-proteinerna tag i en receptor som kallas CD4 på ytan av T-cellen. När de tre CD4-receptorerna väl har beslagtagits av de tre gp120-proteinerna, exponerar de platser som känns igen av värdsamreceptorer, och en nålliknande struktur uppträder på stammen av höljeproteinet, vilket gör att viruset kan infektera och komma in i mänskliga celler .
Men vad händer om gp120-"kronbladen" av HIV-höljesproteinet bara kunde ta en eller två CD4-receptorer? Skulle höljet fortfarande vara helt öppet så att viruset kan infektera cellen? Att förstå denna process kan ha stor inverkan på läkemedelsdesign. Om en eller två CD4-receptorer kunde förhindras från att beslagtas av gp120, skulle det vara tillräckligt för att stoppa infektionen? För att svara på denna obesvarade fråga försökte dessa författare att avbilda HIV-höljeproteiner i närvaro av endast en eller två CD4-receptorer bundna av gp120.
Dam säger, "Strukturell karaktärisering av konformationen av HIV-höljeproteiner som ligger i mellantillståndet är värdefullt för en grundläggande förståelse av hur HIV-proteiner fungerar."
Men att avbilda dessa strukturer är en utmaning: av biokemiska skäl är det inte lätt att skapa "heterotrimerer" eller höljeproteiner som binder till endast en eller två CD4-receptorer, i provröret. Genom ett innovativt tekniskt tillvägagångssätt, utarbetade dessa författare ett schema för att konstruera stabila heterotrimerer. De använde sedan Fans expertis inom kryo-elektronmikroskopi, en delikat experimentell process, för att ta strukturella bilder av heterotrimerer av ömtåliga HIV-höljeproteiner bundna till CD4-receptorer.
Dessa strukturer visar att om bara en eller två CD4-receptorer är bundna av HIV-höljesproteinet, kan höljesproteinet inte öppnas helt och genomgå den formförändringsprocess som är förknippad med infektion. Dam säger: "En av de viktigaste frågorna som väcker detta ny studie är: kan höljeproteiner som inte kan öppnas helt fortfarande främja infektion?"
Bild från Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06639-8.
Björkmans team delade sedan resultaten med Walther Mothes-labbet vid Yale University, som genomförde liknande försök att avbilda heterotrimerer. Informationsutbytet mellan de två labben visade att det fritt svävande beteendet hos den konstruerade heterotrimeren i ett provrör var anmärkningsvärt likt beteendet hos höljesproteinerna på ytan av HIV-viruset i ett mer "realistiskt" infektionsscenario.
Detta är ett viktigt fynd eftersom lösliga heterotrimerer av HIV-höljeproteiner används som grund för att utveckla nya terapier, och det är viktigt att förstå om de exakt efterliknar naturliga processer.
Strukturella biologistudier som dessa är viktiga inte bara för studiet av HIV, utan också för studiet av många olika typer av virus," säger Dam, "Vi har lärt oss mycket av HIV. När covid-19-pandemin började tillämpade vi det vi lärde oss från hiv på SARS-CoV-2."
Björkman säger, "Dessa tidigare okända strukturer av HIV-höljesproteinkonformationer i ett mellantillstånd ger fascinerande nya insikter i de strukturella förändringar som drivs av receptorinteraktioner före sammansmältning av värd- och virala membran. Vår studie öppnar inte bara nya vägar för att utforska komplexiteten av HIV-infektion, men ger också värdefulla insikter som inte är begränsade till terapeutisk design och förbättrar vår övergripande förståelse för den förändrade dynamiken hos HIV."
