Il virus dell'immunodeficienza umana (HIV) è un patogeno formidabile. Muta rapidamente; infatti, è stato stimato che in un dato momento, la diversità genetica dell'HIV in una singola persona equivale alla diversità globale dei virus influenzali in un anno. Inoltre, l'HIV produce strutture che lo proteggono dall'essere riconosciuto e attaccato da anticorpi e farmaci. Tutti questi fattori contribuiscono a rendere l'HIV un virus pericoloso e difficile da curare.
Più gli scienziati apprendono sul processo biologico di come l'HIV infetta le cellule ospiti, migliori saranno i trattamenti che potranno essere progettati per penetrare le difese del virus e distruggerlo. Ora, in un nuovo studio, i ricercatori del California Institute of Technology hanno creato un'immagine della struttura di una sfuggente proteina dell'HIV su scala atomica. I risultati sono stati pubblicati online il 22 novembre 2023 sulla rivista Nature con il titolo "Intermediate conformations of CD4-bound HIV-1 Env heterotrimers.
Il nuovo studio è stato condotto nel laboratorio della Dott. ssa Pamela Björkman, professoressa di biologia e bioingegneria al Caltech. I primi autori del paper sono i ricercatori post-dottorato del Caltech Kim-Marie Dam e Chengcheng Fan.
L'HIV attacca principalmente le cellule immunitarie chiamate cellule T, disattivandole in modo che non possano proteggere altre cellule del corpo dall'infezione. Quando l'HIV è pronto a entrare in una cellula T, subisce una serie di cambiamenti di forma. Questi cambiamenti si verificano in quella che viene chiamata proteina dell'involucro di questo virus, ovvero la proteina sulla superficie di questo virus che consente all'HIV di entrare nella cellula ospite. Poiché le proteine dell'involucro sono così importanti per il processo di infezione del virus, sono buoni obiettivi per lo sviluppo di farmaci o vaccini.
La proteina dell'involucro dell'HIV è un "trimero", simile a un fiore a forma di treppiede: ha tre sezioni "a stelo", ciascuna chiamata gp41, e tre "a petalo "Per avviare l'infezione, ciascuna delle tre proteine gp120 afferra un recettore chiamato CD4 sulla superficie della cellula T. Una volta che i tre recettori CD4 sono stati catturati dalle tre proteine gp120, espongono siti che sono riconosciuti dai co-recettori dell'ospite e una struttura aghiforme appare sullo stelo della proteina dell'involucro, consentendo al virus di infettare ed entrare nelle cellule umane.
Ma cosa succederebbe se i "petali" gp120 della proteina dell'involucro dell'HIV potessero afferrare solo uno o due recettori CD4? L'involucro sarebbe ancora completamente aperto per consentire al virus di infettare la cellula? Comprendere questo processo potrebbe avere un impatto importante sulla progettazione dei farmaci. Se si potesse impedire che uno o due recettori CD4 vengano catturati da gp120, sarebbe sufficiente a fermare l'infezione? Per rispondere a questa domanda senza risposta, questi autori hanno tentato di creare immagini delle proteine dell'involucro dell'HIV in presenza di solo uno o due recettori CD4 legati da gp120.
Dam afferma: "La caratterizzazione strutturale della conformazione delle proteine dell'involucro dell'HIV situate nello stato intermedio è preziosa per una comprensione fondamentale del funzionamento delle proteine dell'HIV".
Ma creare immagini di queste strutture è una sfida: per ragioni biochimiche, non è facile creare "eterotrimeri", o proteine dell'involucro che si legano solo a uno o due recettori CD4, in provetta. Attraverso un approccio ingegneristico innovativo, questi autori hanno ideato uno schema per costruire eterotrimeri stabili. Hanno quindi utilizzato l'esperienza di Fan nella microscopia crioelettronica, un delicato processo sperimentale, per ottenere immagini strutturali di eterotrimeri di fragili proteine dell'involucro dell'HIV legate ai recettori CD4.
Queste strutture dimostrano che se solo uno o due recettori CD4 sono legati alla proteina dell'involucro dell'HIV, la proteina dell'involucro non è in grado di aprirsi completamente e di subire il processo di cambiamento di forma associato all'infezione. Dam afferma: "Una delle principali domande sollevate da questo nuovo studio è: le proteine dell'involucro che non riescono ad aprirsi completamente possono comunque promuovere l'infezione?"
Immagine da Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06639-8.
Il team di Björkman ha poi condiviso i risultati con il laboratorio Walther Mothes della Yale University, che stava conducendo tentativi simili per creare immagini di eterotrimeri. La condivisione di informazioni tra i due laboratori ha mostrato che il comportamento di libera fluttuazione dell'eterotrimero ingegnerizzato in una provetta era notevolmente simile al comportamento delle proteine dell'involucro sulla superficie del virus HIV in uno scenario di infezione più "realistico".
Si tratta di una scoperta importante perché gli eterotrimeri solubili delle proteine dell'involucro dell'HIV vengono utilizzati come base per lo sviluppo di nuove terapie ed è fondamentale capire se imitano accuratamente i processi naturali.
Studi di biologia strutturale come questi sono importanti non solo per lo studio dell'HIV, ma anche per lo studio di molti tipi diversi di virus", afferma Dam, "Abbiamo imparato molto dall'HIV. Quando è iniziata la pandemia di COVID-19, abbiamo applicato ciò che avevamo imparato dall'HIV al SARS-CoV-2."
Björkman afferma: "Queste strutture precedentemente sconosciute delle conformazioni delle proteine dell'involucro dell'HIV in uno stato intermedio forniscono nuove affascinanti intuizioni sui cambiamenti strutturali guidati dalle interazioni del recettore prima della fusione delle membrane ospite e virale. Il nostro studio non solo apre nuove strade per esplorare la complessità dell'infezione da HIV, ma fornisce anche preziose intuizioni non limitate alla progettazione terapeutica e migliora la nostra comprensione complessiva delle dinamiche mutevoli dell'HIV".
