Naukowcy przyglądają się wirusowi HIV w probówce i znajdują krytyczne etapy infekcji

Naukowcy w końcu odtworzyli początkowe etapy zakażenia wirusem HIV w probówce, oferując niewiarygodnie powiększony widok wirusa w akcji.

Niesamowite obrazy przedstawiają skorupę w kształcie stożka z geometrycznych płytek, zwaną kapsydem, która znajduje się w środku wirusa i zawiera jego materiał genetyczny, znany jako RNA. Przed infiltracją komórki kapsyd są otoczone otoczką cząsteczek tłuszczu; ta otoczka łączy się z komórką gospodarza, wpuszczając kapsyd do środka, skąd następnie przenosi RNA do jądra komórki. Po drodze RNA replikuje się, a kiedy znajdzie się w jądrze, atakuje DNA gospodarza.

Przyglądając się bliżej temu procesowi replikacji, nowe badanie podkreśla, że sam kapsyd odgrywa kluczową rolę w infekcji i że muszą być spełnione określone kryteria, aby wirus mógł przeplatać swój genom z genomem komórki gospodarza.

Wiedza o tym, jak odtworzyć początkowe etapy zakażenia wirusem HIV, „oznacza, że mamy o wiele więcej narzędzi do analizy procesu replikacji” – powiedział autor badania Wesley Sundquist, wybitny profesor biochemii na University of Utah Health. W szczególności badanie, opublikowane 8 października w czasopiśmie Science, opisuje system bezkomórkowy, który można wykorzystać do badania, w jaki sposób wirus HIV atakuje genom gospodarza – taki system mógłby „zrewolucjonizować eksperymenty z HIV w wielu laboratoriach”, Leo James lider grupy z MRC Laboratory of Molecular Biology, który nie brał udziału w badaniu.

„Osiągnięcie tego wszystkiego to prawdziwa walka” – powiedział James. Oprócz badań podstawowych, system mógłby również pomóc wyjaśnić, w jaki sposób eksperymentalne leki, których celem jest kapsyd, ograniczają replikację wirusa HIV, powiedział Sundquist w oświadczeniu.

Próby z probówkami

Chociaż eksperymenty z probówkami szczegółowo opisują aspekty zakażenia wirusem HIV, nie są w stanie odtworzyć każdego etapu tego procesu, zauważa Sundquist. Infekcja zwykle rozpoczyna się, gdy zewnętrzna błona wirusa łączy się z błoną komórki gospodarza, umożliwiając kapsydowi i jego wnętrznościom przedostanie się do środka. Ale w systemie bezkomórkowym autorzy musieli ominąć ten początkowy krok.

Zamiast tego użyli związku znajdującego się w jadzie pszczelim, zwanego melityną, do „przepuszczania” błony wirusowej i uwolnienia znajdującego się w niej kapsydu.

Kapsyd HIV ma małe pory i normalnie, gdy cząsteczka wirusa przepływa przez cytoplazmę komórki ludzkiej, zbiera komórkowe bloki budulcowe DNA, zwane trifosforanami deoksynukleotydów, które już tam są, zgodnie z raportem z 2017 roku w czasopiśmie Natura. Gdy przemieszcza się do jądra, cząsteczka wirusa wykorzystuje te elementy budulcowe do tworzenia kopii pełnych nici DNA, dzięki specjalnemu enzymowi znajdującemu się wewnątrz kapsydu. W ten sposób wirus kopiuje swój materiał genetyczny, aby później wstawić go do genomu gospodarza. Skąd wirus „wie”, kiedy rozpocząć tak zwaną odwrotną transkrypcję, jest nadal nieco tajemnicze, ale badania wskazują, że właściwości biochemiczne komórki gospodarza są wskazówkami do rozpoczęcia reakcji.

Ale probówka nie zawiera automatycznie bloków budulcowych DNA w roztworze, więc autorzy dodali je, aby przyspieszyć odwrotną transkrypcję. „Ta metoda istnieje już od jakiegoś czasu, ale trudno jest doprowadzić reakcję do końca” – zauważył James. Ale autorom badania udało się sprawić, aby odwrotna transkrypcja działała płynnie; aby to zrobić, dowiedzieli się, że kapsyd musi pozostać w większości nienaruszony przez cały proces.

Szczegółowe zdjęcia kapsydu HIV wykonane za pomocą mikroskopii krioelektronowej (po lewej) i modelowania molekularnego (po prawej) (Źródło zdjęcia: Owen Pornillos, Barbie Ganser-Pornillos)

„Kapsyd musi być w większości nienaruszony i musi mieć odpowiednią stabilność lub elastyczność, aby wspierać odwrotną transkrypcję”, co oznacza, że kapsyd musi być wystarczająco mocno związany, aby nie rozpadł się podczas odwrotnej transkrypcji, ale mógł się otworzyć, gdy Kapsyd wchodzi do jądra, aby uwolnić skopiowane DNA, powiedział Sundquist. Na szczęście naukowcy niedawno odkryli sposób na utrzymanie wystarczającej stabilności kapsydu.

Autor badania Owen Pornillos, profesor nadzwyczajny fizjologii molekularnej i fizyki biologicznej na Uniwersytecie Wirginii, oraz jego koledzy odkryli, że związek o nazwie IP6 wiąże się z płytką kapsydu – poinformowali w 2018 roku w czasopiśmie Nature. IP6 niesie ładunek ujemny, podczas gdy każda płytka ma ładunek dodatni po stronie, która wskazuje w kierunku środka kapsydu; ponieważ przeciwieństwa się przyciągają, gdy IP6 wiąże się z kapsydem, pomaga to w zaciśnięciu płytek w ciaśniejszy, bardziej stabilny układ.

„Przed odkryciem IP6 ktoś usuwałby [wirusową] powłokę w warunkach laboratoryjnych i wszystko się rozpadało i nic nie było widać” – powiedział João Mamede, adiunkt na Wydziale Patogenów Mikrobiologicznych i Odporności na Uniwersytecie Rush, który nie był zaangażowany w badanie.

IP6 jest „dość obfite” w komórkach, więc w swoich eksperymentach w probówkach autorzy dodali podobne stężenia związku, jakie można by znaleźć w komórkach, powiedział Sundquist. „To była naprawdę sztuczka” – dodał. „Dopóki się nie zorientowaliśmy, pracowaliśmy z kapsydami, które były zbyt niestabilne”.

To jest ilustrujący diagram pojedynczej cząsteczki wirusa HIV. Zwróć uwagę na znakowaną błonę lipidową (otoczkę), kapsyd, wirusowe RNA i odwrotną transkryptazę, enzym transkrybujący RNA do DNA. (Zdjęcie: Shutterstock)

Zobaczyć to uwierzysz

Korzystając z komputerowych modeli cząsteczek i mikroskopu elektronowego, autorzy mogli dosłownie zobaczyć, że 240 płytek tworzących kapsyd utrzymuje swoją strukturę przypominającą kratkę stabilną podczas odwrotnej transkrypcji. Autorzy zauważyli, że gdy nici DNA stawały się większe, ich końce czasami przebijały się przez maleńkie szczeliny w splocie kratownicowym, a czasami można było zobaczyć pojedyncze płytki przemieszczające się, podczas gdy reszta kapsydu pozostawała nienaruszona.

Kapsyd może wymagać stabilizacji, aby RNA i enzym transkrybujący były blisko siebie – powiedział Christopher Aiken, profesor patologii, mikrobiologii i immunologii na Uniwersytecie Vanderbilt, który nie brał udziału w badaniu. Enzym ma tendencję do wypadania z RNA podczas transkrypcji, więc „utrzymując enzym w zamknięciu, może ponownie wiązać matrycę i kontynuować syntezę DNA” – powiedział Aiken.

Po zakończeniu odwrotnej transkrypcji autorzy przeszli do następnego etapu infekcji: integracji, w której wirusowe DNA infiltruje genom gospodarza. Wprowadzili do swoich probówek nici DNA znane jako plazmidy, aby służyły jako zastępca dla DNA w ludzkim jądrze, ale integracja nie rozpoczęłaby się bez dodatkowego składnika. Tylko „ekstrakty z całych komórek”, mieszanka białek i cząsteczek pobranych z komórek, pozwoliłyby wirusowemu DNA przeniknąć do plazmidów.

W przyszłości zespół ma nadzieję precyzyjnie określić, które składniki ekstraktów komórkowych powodują integrację, powiedział Sundquist. „Prawdopodobnie będzie to więcej niż jedna rzecz” – zauważył. Jednym z wyzwań jest to, że w eksperymentach z probówkami „zawsze trudno jest stwierdzić, czy czegoś brakuje” – powiedział.

Źródło: Nicoletta Lanese

Inositol phosphates are assembly co-factors for HIV-1

HIV up close: Unprecedented view of virus reveals essential steps for causing AIDS

Safety, Pharmacokinetics, and Antiviral Activity of Lenacapavir Administered Subcutaneously in HIV-1 Infected Adults

Zdjęcia: Janet Iwasa

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x