HIV: Ο ιός της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας (HIV) είναι ένα τρομερό παθογόνο. Μεταλλάσσεται γρήγορα. Στην πραγματικότητα, οι εκτιμήσεις δείχνουν ότι η γενετική ποικιλομορφία του ιού της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας HIV σε ένα άτομο σε μια χρονική στιγμή είναι ίση με την ποικιλομορφία της γρίπης σε ολόκληρο τον κόσμο για ένα χρόνο. Ο ιός της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας HIV έχει επίσης αναπτύξει δομές για να προστατεύεται από την αναγνώριση και την επίθεση από αντισώματα και θεραπευτικά μέσα. Όλοι αυτοί οι παράγοντες συμβάλλουν στο να είναι ο ιός της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας HIV επικίνδυνος δύσκολα αντιμετωπίσιμος ιός. Όσο περισσότεροι ερευνητές μπορούν να κατανοήσουν τις βιολογικές διεργασίες που διέπουν τον τρόπο με τον οποίο ο ιός της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας HIV μολύνει τα κύτταρα, τόσο καλύτερα μπορούν να σχεδιάσουν θεραπείες για να διεισδύσουν στην άμυνα του ιού και να τον καταστρέψουν.
Τώρα, οι ερευνητές του Caltech απεικόνισαν μια άπιαστη δομή πρωτεΐνης του ιού της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας HIV σε ατομική κλίμακα, βλέποντας λεπτομέρειες με ανάλυση ενός δισεκατομμυριοστού του μέτρου. Η εργασία διεξήχθη στο εργαστήριο των Pamela Björkman, David Baltimore, Καθηγητή Βιολογίας και Βιολογικής Μηχανικής και Καθηγητή του Ινστιτούτου Merkin. Μια εργασία που περιγράφει τη μελέτη εμφανίζεται στο περιοδικό Nature. Οι πρώτοι συγγραφείς της μελέτης είναι οι μεταδιδακτορικοί μελετητές του Caltech Kim-Marie Dam και Chengcheng Fan. Ο ιός της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας HIV επιτίθεται κυρίως στα κύτταρα του ανοσοποιητικού που ονομάζονται Τ κύτταρα, απενεργοποιώντας τα έτσι ώστε να μην μπορούν να υπερασπιστούν άλλα κύτταρα του σώματος από μόλυνση. Όταν ένα ιοσωμάτιο του ιού της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας HIV προετοιμάζεται να εισέλθει σε ένα Τ κύτταρο, υφίσταται κάποιες αλλαγές που αλλάζουν σχήμα. Αυτά λαμβάνουν χώρα στη λεγόμενη πρωτεΐνη φακέλου του ιού, την πρωτεΐνη στην επιφάνεια του ιού που του επιτρέπει να εισέλθει στα κύτταρα. Καθώς οι πρωτεΐνες του φακέλου είναι τόσο σημαντικές για τη διαδικασία μόλυνσης του ιού, είναι καλοί στόχοι για θεραπευτικά ή εμβόλια. Η πρωτεΐνη του φακέλου του HIV είναι «τριμερική», που μοιάζει με ένα λουλούδι το οποίο μοιάζει με τρίποδο με τρία τμήματα «βλαστών» – το καθένα που ονομάζεται gp41 – και τρεις περιοχές «πετάλων» που ονομάζονται gp120. Για να ξεκινήσει η μόλυνση, καθεμία από τις τρεις πρωτεΐνες gp120 αρπάζει ένα είδος υποδοχέα στο Τ κύτταρο που ονομάζεται CD4. Μόλις τρεις υποδοχείς CD4 ασφαλιστούν από τις τρεις πρωτεΐνες gp120, εκθέτουν θέσεις που αναγνωρίζονται από έναν συν-υποδοχέα ξενιστή και, στη συνέχεια, μια δομή που μοιάζει με βελόνα αναδύεται από τις περιοχές στελέχους του “λουλουδιού”, επιτρέποντας στον ιό να μολύνει και να αποκτήσει είσοδο στο ανθρώπινο κύτταρο. Τι γίνεται, όμως , αν τα “πέταλα” gp120 της πρωτεΐνης φακέλου μπορούν να πιάσουν μόνον έναν ή δύο υποδοχείς CD4; Μπορεί η πρωτεΐνη του φακέλου να ανοίξει ακόμη πλήρως ώστε ο ιός να μολύνει το κύτταρο; Η κατανόηση αυτής της διαδικασίας θα μπορούσε να έχει σημαντικές επιπτώσεις στον σχεδιασμό θεραπευτικών μεθόδων. Εάν οι ερευνητές μπορούσαν να αποτρέψουν μόνο έναν ή δύο υποδοχείς CD4 από το να πιαστούν από ένα “πέταλο” gp120, θα ήταν αρκετό για να αποτρέψει τη μόλυνση; Για να απαντήσει σε αυτήν την ανοιχτή ερώτηση, η ομάδα προσπάθησε να απεικονίσει την πρωτεΐνη του φακέλου σε αυτά τα σενάρια με μόνο ένα ή δύο υποδοχείς CD4 δεσμευμένα. «Ο δομικός χαρακτηρισμός των διαμορφώσεων του ενδιάμεσου περιβλήματος είναι απίστευτα πολύτιμος για να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν οι πρωτεΐνες του ιού της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας HIV σε θεμελιώδες επίπεδο», λέει ο Dam. Αλλά η απεικόνιση αυτών των δομών είναι μια πρόκληση: Η δημιουργία «ετεροτριμερών», ή πρωτεϊνών φακέλου που δεσμεύουν μόνο έναν ή δύο υποδοχείς CD4, δεν είναι εύκολο να γίνει σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα για βιοχημικούς λόγους. Μέσω μιας καινοτόμου μηχανικής προσέγγισης, η ομάδα μπόρεσε να επινοήσει ένα πρωτόκολλο για τη δημιουργία σταθερών ετεροτριμερών.
Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας την τεχνογνωσία του Fan σε μια λεπτή διαδικασία που ονομάζεται κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία, μπόρεσαν να τραβήξουν εικόνες από τις εύθραυστες δομές των ετεροτριμερών που ήταν συνδεδεμένες με τους υποδοχείς CD4. Οι δομές έδειξαν ότι εάν είναι συνδεδεμένοι μόνο ένας ή δύο υποδοχείς CD4, η πρωτεΐνη του φακέλου δεν είναι σε θέση να ανοίξει πλήρως και να υποβληθεί στη διαδικασία αλλαγής σχήματος που σχετίζεται με τη μόλυνση. “Ένα σημαντικό ερώτημα που προκύπτει από αυτήν την εργασία είναι: Μπορούν οι πρωτεΐνες του φακέλου που δεν ανοίγουν πλήρως να διευκολύνουν τη μόλυνση;” λέει ο Νταμ. Στη συνέχεια, η ομάδα μοιράστηκε τα αποτελέσματα με το εργαστήριο του Walther Mothes στο Πανεπιστήμιο Yale, το οποίο διεξήγαγε παρόμοιες προσπάθειες απεικόνισης ετεροτριμερών. Η ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των δύο εργαστηρίων έδειξε ότι η συμπεριφορά των κατασκευασμένων ετεροτριμερών που επιπλέουν ελεύθερα σε δοκιμαστικό σωλήνα (μια πειραματική διάταξη όπου οι πρωτεΐνες είναι σε διάλυμα ή διαλυτές σε αντίθεση με τις δεσμευμένες σε ιικές μεμβράνες) είναι εντυπωσιακά παρόμοια με το πώς οι πρωτεΐνες φακέλου στην επιφάνεια του ιού συμπεριφέρονται σε ένα πιο “πραγματικό κόσμο” σενάριο μόλυνσης. Αυτό είναι ένα σημαντικό εύρημα επειδή οι διαλυτές κατασκευές χρησιμοποιούνται ως βάση για την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών μεθόδων και είναι σημαντικό να γνωρίζουμε εάν μιμούνται με ακρίβεια τις φυσικές διεργασίες. Η έρευνα δομικής βιολογίας όπως αυτή δεν είναι σημαντική μόνο για τη μελέτη του HIV αλλά και πολλών διαφορετικών ειδών ιών. «Έχουμε μάθει τόσα πολλά από τον ιό της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας HIV», λέει ο Dam. «Όταν ξεκίνησε η πανδημία COVID-19, εφαρμόσαμε όσα είχαμε μάθει από τον ιό της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας HIV στον SARS-CoV-2». «Οι δομές αυτών των προηγουμένως άγνωστων, ενδιάμεσων διαμορφώσεων φακέλου προσφέρουν συναρπαστικές πληροφορίες για τις δομικές αλλαγές που προκαλούνται από τις αλληλεπιδράσεις των υποδοχέων πριν από τη σύντηξη της μεμβράνης του ξενιστή και του ιού», λέει ο Björkman. «Η έρευνά μας όχι μόνον ανοίγει νέους δρόμους για τη διερεύνηση της πολυπλοκότητας της μόλυνσης από τον ιό HIV, αλλά παρέχει επίσης πολύτιμες γνώσεις που εκτείνονται πέρα από τον θεραπευτικό σχεδιασμό, ενισχύοντας τη συνολική κατανόησή σας για τη δυναμική του ιού.”
