Virus humane imunodeficijencije (HIV) je opasan patogen. Brzo mutira; zapravo, procijenjeno je da je u određenoj vremenskoj točki genetska raznolikost HIV-a u jednoj osobi jednaka globalnoj raznolikosti virusa influence u jednoj godini. Osim toga, HIV proizvodi strukture koje ga štite od prepoznavanja i napada antitijelima i lijekovima. Svi ti čimbenici doprinose tome da HIV postane opasan virus koji se teško liječi.
Što više znanstvenici uče o biološkom procesu kako HIV inficira stanice domaćina, to se mogu osmisliti bolji tretmani koji će probiti obrambene mehanizme virusa i uništiti ga. Sada, u novoj studiji, istraživači s Kalifornijskog instituta za tehnologiju prikazali su strukturu nedostižnog HIV proteina na atomskoj razini. Nalazi su objavljeni online 22. studenog 2023. u časopisu Nature pod naslovom "Intermediate conformations of CD4-bound HIV-1 Env heterotrimers".
Nova studija provedena je u laboratoriju dr. Pamele Björkman, profesorice biologije i bioinženjeringa na Caltechu. Prvi autori rada su postdoktorski znanstvenici s Caltecha Kim-Marie Dam i Chengcheng Fan.
HIV prvenstveno napada imunološke stanice zvane T stanice, onesposobljavajući ih tako da ne mogu zaštititi druge stanice u tijelu od infekcije. Kada je HIV spreman ući u T stanicu, prolazi kroz niz promjena oblika. Te se promjene događaju u onome što se naziva protein ovojnice ovog virusa – to jest, protein na površini ovog virusa koji omogućuje HIV-u da uđe u stanicu domaćina. Budući da su proteini ovojnice toliko važni za proces infekcije virusom, oni su dobre mete za razvoj lijekova ili cjepiva.
Protein ovojnice HIV-a je "trimer", sličan cvijetu u obliku tronošca: ima tri dijela "stabljike", od kojih se svaki zove gp41, i tri "latice" Kako bi pokrenuo infekciju, svaki od tri proteina gp120 grabi receptor koji se zove CD4 na površini T-stanice. Nakon što tri proteina gp120 zahvate tri CD4 receptora, oni izlažu mjesta koja prepoznaju ko-receptori domaćina, a na stabljici proteina ovojnice pojavljuje se igličasta struktura, omogućujući virusu da zarazi i uđe u ljudske stanice .
Ali što ako gp120 "latice" proteina ovojnice HIV-a mogu zgrabiti samo jedan ili dva CD4 receptora? Bi li omotnica i dalje bila potpuno otvorena kako bi virus mogao zaraziti stanicu? Razumijevanje ovog procesa moglo bi imati veliki utjecaj na dizajn lijeka. Kad bi gp120 mogao spriječiti preuzimanje jednog ili dva CD4 receptora, bi li to bilo dovoljno za zaustavljanje infekcije? Kako bi odgovorili na ovo neodgovoreno pitanje, ovi su autori pokušali prikazati proteine ovojnice HIV-a u prisutnosti samo jednog ili dva CD4 receptora vezana gp120.
Dam kaže: "Strukturalno karakteriziranje konformacije proteina ovojnice HIV-a koji se nalaze u srednjem stanju dragocjeno je za temeljno razumijevanje načina na koji proteini HIV-a rade."
Ali oslikavanje tih struktura je izazov: iz biokemijskih razloga, nije lako stvoriti "heterotrimere" ili proteine ovojnice koji se vežu na samo jedan ili dva CD4 receptora, u epruveti. Kroz inovativni inženjerski pristup, ovi su autori osmislili shemu za konstruiranje stabilnih heterotrimera. Zatim su iskoristili Fanovu stručnost u krioelektronskoj mikroskopiji, delikatnom eksperimentalnom procesu, kako bi snimili strukturne slike heterotrimera krhkih proteina ovojnice HIV-a vezanih na CD4 receptore.
Ove strukture pokazuju da ako su samo jedan ili dva CD4 receptora vezana proteinom ovojnice HIV-a, protein ovojnice se ne može u potpunosti otvoriti i podvrgnuti se procesu promjene oblika povezanom s infekcijom. Dam kaže: "Jedno od glavnih pitanja koje postavlja ovo nova studija je: mogu li proteini ovojnice koji se ne mogu potpuno otvoriti i dalje poticati infekciju?"
Slika iz Nature, 2023., doi:10.1038/s41586-023-06639-8.
Björkmanov tim potom je podijelio rezultate s laboratorijem Walther Mothes na Sveučilištu Yale, koji je provodio slične pokušaje snimanja heterotrimera. Razmjena informacija između dva laboratorija pokazala je da je slobodno plutajuće ponašanje konstruiranog heterotrimera u epruveti nevjerojatno slično ponašanju proteina ovojnice na površini HIV virusa u "realističnijem" scenariju infekcije.
Ovo je važno otkriće jer se topljivi heterotrimeri proteina ovojnice HIV-a koriste kao osnova za razvoj novih terapeutskih sredstava, a ključno je razumjeti oponašaju li točno prirodne procese.
Studije strukturne biologije poput ovih važne su ne samo za proučavanje HIV-a, već i za proučavanje mnogih različitih vrsta virusa," kaže Dam, "Puno smo naučili od HIV-a. Kada je počela pandemija COVID{0}}, ono što smo naučili od HIV-a primijenili smo na SARS-CoV-2."
Björkman kaže: "Ove dosad nepoznate strukture konformacija proteina ovojnice HIV-a u srednjem stanju pružaju fascinantne nove uvide u strukturne promjene potaknute interakcijama receptora prije spajanja membrana domaćina i virusa. Naša studija ne samo da otvara nove puteve za istraživanje složenosti HIV infekcije, ali također pruža vrijedne uvide koji nisu ograničeni na terapijski dizajn i poboljšava naše cjelokupno razumijevanje promjenjive dinamike HIV-a."
