Protein HIV, který mění tvar, odhaluje vodítka pro chytřejší design léků

Míra infekce HIV celosvětově stále stoupá. Asi 40 milionů lidí žije s HIV-1, nejběžnějším kmenem HIV. Zatímco symptomy lze nyní lépe zvládat celoživotní léčbou, neexistuje žádný lék na úplné odstranění viru z těla, takže pacienti stále často bojují se souvisejícími zdravotními problémy, vedlejšími účinky, sociálním stigmatem a odolností vůči lékům.

Jednou z nejslibnějších léčebných cest je narušení replikace HIV poškozením funkce integrázy, proteinu pojmenovaného podle své role při integraci virového genetického materiálu do genomu lidského hostitele. Vědci si však nedávno všimli, že integráza dělá víc než jen integraci. Později v replikačním cyklu HIV integráza interaguje s virovou RNA, aby pomohla viru šířit se a infikovat nové buňky.

Převzetí těchto dvou odlišných rolí – nejprve s DNA, poté s RNA – vyžaduje změny v proteinové struktuře integrázy. Výzkumníci Salk Institute nedávno poprvé zachytili tyto důležité strukturální změny a vytvořili nové 3D modely integrázy v obou rolích. Nyní vědci mohou spojit tečky mezi formou a funkcí integrázy a začít vyvíjet sloučeniny, které by mohly narušit odlišné funkce integrázy a následně lépe léčit lidi žijící s HIV.

Nová studie je zveřejněno v Příroda komunikace dnes.

„Právě nyní zjišťujeme, že tyto integrázové proteiny, které jsme léta studovali, mají neočekávané funkce, jako je interakce s RNA,“ říká hlavní autor Dmitry Lyumkis, Ph.D., docent a držitel Hearst Foundations Developmental Chair v Salku. „Určení toho, jak integráza interaguje s RNA, nám pomůže lépe porozumět této nové roli a poskytne informace o návrhu nových a účinnějších léků proti HIV.“

Připravit cestu pro nové léky zaměřené na integrázu

Když virus infikuje buňku, vloží svůj genetický materiál (DNA nebo RNA) do hostitelského genomu a unese buněčný aparát, aby vytvořil více viru. Tradiční RNA viry musí přinést své vlastní nástroje pro replikaci RNA, protože buňky jsou určeny pouze k replikaci DNA.

HIV je však retrovirus, což znamená, že dokáže zvrátit DNA z RNA. Jakmile virus infikuje buňku, použije tuto RNA k vytvoření komplementární virové DNA, kterou pak vloží do vlastního genomu buňky. Odtud se buňka stává továrnou na HIV – chrlí novou virovou RNA, která je zabalena a odeslána, aby infikovala další buňky.

Integrase provádí proces vkládání DNA, který je charakteristickým znakem virového replikačního cyklu, díky čemuž je protein zjevným cílem pro léky proti HIV-1, jako je Dolutegravir. HIV-1 se však rychle vyvíjí a je náchylný k rozvoji léková rezistence. V roce 2023 objevil Lyumkis jak integráza přizpůsobuje svou strukturu, aby se vyhnula Dolutegraviru.

Studium mechanismů lékové rezistence je jedním ze způsobů, jak se vyrovnat s rychlým vývojem HIV-1. Dalším způsobem je vývoj nových léků, které se zaměřují na nové procesy. Namísto cílení integrázy během vkládání DNA by se budoucí léky mohly místo toho zaměřit na integrázu během její nedávno objevené druhé role: interakce s nově produkovanou virovou RNA, která je zabalena do vznikajících virů, které opustily buňku.

Dvě odlišné struktury odhalují překvapivou flexibilitu integrázy

„Velmi málo je známo o tom, co integráza dělá v pozdějších fázích replikace HIV,“ říká spolu-první autor Tao Jing, Ph.D., postdoktorandský výzkumník v laboratoři Lyumkis. „Naše použití kryo-elektronová mikroskopie objevit architekturu integrázy během tohoto záhadného období je významným krokem pro výzkum HIV.“

Kryo-elektronová mikroskopie umožňuje výzkumníkům vidět 3D strukturu proteinu, jak se vyskytuje v přírodě. Stejně jako architektura budovy informuje o její funkci (vzpomeňte si na uspořádání kina versus restaurace), architektura proteinu také informuje o její funkci. Se strukturním plánem proteinu v ruce si vědci mohou začít představovat, jak funguje, a představovat si sloučeniny, které by zapadly do jeho struktury, aby ho posílily nebo potlačily.

Vědci použili kryo-elektronová mikroskopie shromáždit dvě odlišné integrázové struktury: 1) formu, která integruje virovou DNA do genomu hostitelské buňky, a 2) formu, která pravděpodobně interaguje s nově produkovanou virovou RNA později v procesu replikace HIV.

Nejprve určili architekturu integrázy, protože tvoří „intasom“ – speciální sestavu proteinů a virové DNA. V této intazomové formě je integráza tvořena čtyřmi identickými čtyřdílnými komplexy, které se spojují a vytvářejí jeden 16dílný komplex. Tato obrovská struktura obklopuje virovou DNA a drží ji na místě, aby se usnadnila její integrace s genomem hostitele.

Za druhé, určili záhadnější proteinovou architekturu integrázy, když interaguje s RNA. V tomto bodě protein opouští obří šestnáctidílný komplex ve prospěch jednoduššího, menšího čtyřdílného komplexu. Na základě této čtyřdílné struktury má tým představu o tom, jak by integráza mohla interagovat s RNA, a plánují následné studie, aby potvrdily svá podezření.

Integráza je vysoce adaptabilní protein, který je schopen vybudovat 16dílný komplex a poté se rozložit zpět na čtyřdílný komplex. Lyumkis říká, že tato flexibilita je překvapivá, a přestože některé strukturální změny jsou jemné, mohou způsobit podstatné rozdíly v procesu vývoje léků.

„Vytvořili jsme první plány pro strukturu integrázy během těchto klíčových kroků při replikaci HIV,“ říká spoluprvní autor Zelin Shan, Ph.D., postdoktorandský výzkumník v laboratoři Lyumkis. „Nyní můžeme tyto plány použít k navrhování nových léků, které vyhovují této struktuře a narušují destruktivní proces invaze a replikace HIV-1.“