Studie enthüllt bisher unbekannte Rolle der viralen Proteinintegrase im Lebenszyklus von HIV

Die winzige Hülle, die das HIV-Virus schützt, ähnelt einer leicht abgerundeten Eistüte, hat aber nichts Süßes an sich.

Mehr als 40 Millionen Menschen weltweit leben aufgrund dieses Virus mit AIDS, und die Behandlungen müssen sich ständig weiterentwickeln, da HIV mutiert. Im akuten Stadium der Infektion kann eine einzelne menschliche Zelle bis zu 10.000 neue HIV-Partikel produzieren.

An der University of Delaware haben Professor Juan R. Perilla und sein Forschungsteam in der Abteilung für Chemie und Biochemie über ein Jahrzehnt damit verbracht, die Struktur und Funktion der Schutzhülle oder des Kapsids von HIV und der darin verpackten Proteine ​​zu untersuchen. Ihr Ziel ist es, neue Angriffspunkte für Medikamente zu identifizieren, die HIV im Keim ersticken könnten.

Nun zu einer überraschenden Entdeckung, veröffentlicht am 18. Februar NaturPerilla und Mitarbeiter in den USA und im Vereinigten Königreich haben eine bisher unbekannte Rolle des viralen Proteins Integrase entdeckt. Wissenschaftler wussten bereits, dass Integrase HIV dabei hilft, sich in die menschliche DNA einzufügen. Diese neue Studie liefert jedoch den ersten direkten Beweis dafür, dass Integrase bereits zu einem früheren Zeitpunkt im Lebenszyklus von HIV eine entscheidende strukturelle Rolle spielt – wenn das Virus zu einer infektiösen Kraft heranreift.

Mittels hochauflösender Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) fand das Forschungsteam heraus, dass Integrase-Proteine ​​klebrige Filamente bilden, die die Innenseite des Kapsids auskleiden. Jedes Segment des Filaments fügt sich sauber in die sechseckigen Kacheln des Kapsids ein und greift dabei fest in das RNA-Genom von HIV ein. Diese reißverschlussartige Anordnung organisiert und verpackt den Virus und bereitet ihn darauf vor, eine Zelle zu kapern und mit der Erstellung von Kopien von sich selbst zu beginnen.

Integrase spielt eine strukturelle Rolle im HIV-Kapsid – damit hat niemand gerechnet. Dieses Protein bildet Filamente, die die RNA am Kapsid verankern. Ohne diese Filamente ist das Virus nicht infektiös.“

Professor Juan R. Perilla, University of Delaware

Blick in ein HIV-Partikel

Es ist keine Kleinigkeit, in HIV hineinzuschauen. Das Kapsid ist nur etwa 120 Nanometer breit – etwa 1/800 der Dicke eines menschlichen Haares. Es sei unglaublich klein, zerbrechlich, dicht gepackt und verändere sich ständig, sagte Perilla.

Um seine verborgene Architektur aufzudecken, verließen sich die Forscher auf eine intensive Zusammenarbeit und eine Kombination aus anspruchsvoller Mikroskopie, molekularer Modellierung und Experimenten.

Kryo-EM-Bildgebung – durchgeführt am Francis Crick Institute in einer Anlage etwa 20 Meter unter der Erde zum Schutz vor Vibrationen und Magnetfeldern – erfordert, dass Proben in Millisekunden eingefroren, kälter als der Weltraum gehalten und mit Elektronenstrahlen statt mit Licht abgebildet werden, um feine Strukturdetails auf atomarer Ebene zu erfassen. Diese Methode erzeugt Millionen von 2D-Bildern gefrorener Partikel, die sortiert, gemittelt und zu einem 3D-Modell ausgerichtet werden müssen, um einzelne Proteine ​​sichtbar zu machen – eine Arbeit, die ohne Hochleistungsrechnen einfach nicht möglich wäre, sagte Perilla.

Sobald die Gesamtformen identifiziert waren, lieferte die molekulare Modellierung die chemischen Details. Die Forscher erstellten Atom-für-Atom-Modelle, die zu den Kryo-EM-Daten passen und zeigen, wie die Komponenten des Virus zusammenwirken.

Frühere Experimente zur Hemmung des Virus brachten noch mehr Erkenntnisse. Das Team verwendete spezielle Inhibitoren namens ALLINIs, um die Bildung (Oligomerisierung) größerer Ansammlungen der Integrase zu unterbrechen, von denen man nun weiß, dass sie auch die Integrase-Kapsid-Wechselwirkungen unterbrechen. Während einige präklinische Inhibitoren diese Wechselwirkungen beeinflussen, so Perilla, zielen keine der von der FDA zugelassenen Arzneimittel auf diese neu entdeckte strukturelle Rolle der Integrase ab – was ein vielversprechendes neues Feld für die Arzneimittelentwicklung darstellt.

Eine Gemeinschaftsinitiative mit globaler Wirkung

„Die Sache mit HIV ist, dass die Menschen chronisch damit leben“, sagte Perilla. „Behandlungen sind wirksam, aber Patienten brauchen immer neue Therapeutika. Wir wollen zur Entwicklung der nächsten Generation von Hemmstoffen beitragen und hoffen, einen wesentlichen Beitrag zu leisten.“

Perilla betonte, dass diese Forschung durch langjährige Kooperationen und öffentliche Förderung ermöglicht wurde. Er arbeitet seit fast einem Jahrzehnt mit den Co-Autoren Peter Cherepanov am Francis Crick Institute und Alan Engelman in Harvard zusammen. Weitere Partner vom Francis Crick Institute, dem Dana-Farber Cancer Institute, der University of Oxford, dem Birkbeck College, dem Harwell Science and Innovation Campus und dem Imperial College London trugen ebenfalls zu der Studie bei.

Studierende der University of Delaware, darunter Ph.D. Auch der Kandidat Juan S. Rey in Perillas Labor spielte im Laufe der Jahre eine Schlüsselrolle, wobei viele eine Karriere in der Pharmaindustrie einschlugen, um die biomedizinische Forschung weiter voranzutreiben.

„Ohne öffentliche Mittel – von der US-amerikanischen National Science Foundation, den National Institutes of Health und dem US-Energieministerium – hätten wir diese Arbeit nicht“, sagte Perilla. „Ohne öffentliche Förderung gäbe es unsere Forschung nicht.“

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