Az amerikai „Scripps Kutató Intézet” és a Virginia Orvostudományi Egyetem tudósai meghatározták annak a protein toknak a szerkezetét, amely a humán immunhiány-vírus (HIV) genetikai anyagát viszi át az emberi sejtekbe.
A munka azon kutatások csúcspontjának tekinthető, amelyek az elmúlt évtized során a kúp-alakú tok, vagy más néven kapszid, különböző részeit vizsgálták. A „puzzle” végső darabja – amelyről a Nature tudományos folyóirat 2011. január 20-ai számában jelent meg publikáció – a két végű kúp szerkezetét részletezi. (A humán immundeficiencia vírusnak két típusa van, a HIV-1 és a HIV-2. A kapszid az RNS genomot tartalmazó központi rész a vírusban.)
A publikáció senior szerzője, Dr. Mark Yeager, a Scripps professzora szerint, aki egyben a Virginia Egyetem Molekuláris Fiziológia és Biológiai Fizika Osztályának elnöke is, kutatásukban ez igazi mérföldkövet jelent.
A komplett HIV kapszid részletes leírása olyan gyógyszerek kifejlesztéséhez szolgál „térképül”, amelyek megszakíthatják képződését, és így képesek megakadályozni a HIV fertőzést.
A kapszid és az éretlen kapszid
A HIV vírus a humán sejtek felszínén lévő receptorokhoz kötődik, majd kapszidját bejuttatja a sejtekbe. Ha egyszer már bent van a sejtben, a kapszid szétesik, felszabadítván értékes rakományát, a vírus genetikai anyagát.
Ezt követően a HIV vírus megrongálja az emberi sejt „gépezetét”, és arra kényszeríti, hogy saját génjeinek és fehérjéinek sok-sok másolatát elkészítse. Amint az új vírusok elkészültek, a genetikai anyag becsomagolódik olyan abnormális, éretlen kapszidokba, amelyeket a HIV vírus arra használ, hogy a megfertőzött sejtből kimeneküljön. De mielőtt ezek az újonnan felszabadult vírusok más humán sejteket is megfertőznének, az éretlen kapszid egy drámai újrarendeződésen megy keresztül, melynek során érett, kúp-alakú tok lesz belőle.
Ha az érett kapszid kialakulása megszakad, a vírus többé nem fertőző. Így aztán az új gyógyszerek, amelyek a kapszid képződését célozzák meg, a már meglévő HIV-ellenes gyógyszer arzenálhoz értékes újdonságként sorakozhatnak.
Laza (floppy) híd
A gyógyszerek kifejlesztéséhez azonban, amelyek megszakítják a kapszid formációját, a tudósoknak először azt kell precízen tudniuk, hogyan képződött a kapszin.
Az egyik technológia, amelyet a kutatók használnak ahhoz, hogy a biológiai molekulák részletes szerkezetét vizsgálhassák, az a röntgen krisztallográfia (kristálytan). Ez a technika megkívánja, hogy egy molekula kristályait növesszék, majd a kristályokat röntgensugarakkal bombázzák ahhoz, hogy képesek legyenek meghatározni az összes atom pozícióját.
Szemben más vírusok kúp-alakú kapszidjaival, mint pl. a poliovírus, amelynek egy merev, szimmetrikus struktúrája van, amely engedelmesen áll össze kristályokká, a HIV vírus kapszidja rugalmas és könnyen adoptálódik a különböző formákhoz. Ennek a flexibilitásnak részben az az oka, hogy a proteinnek, amelyből a HIV vírus kapszidja felépül, az ún. CA proteinnek, két vége van, amelyeket egy laza (floppy) híd tart össze.
A kapszidban minden egyes CA protein „kéz a kézben” összekapcsolódik más CA proteinekkel, így alakítva egy ötös, vagy egy hatos protein csoportot. A kapszid fő teste kb. 250 db, hatszoros egységet, vagy hexamert tartalmaz. A kúp mindegyik vége ezt követően lezáródik, méghozzá vagy öt, vagy hét kisebb, ötszörös egységgel, vagy pentamerrel.
„Lehetetlenség a teljes HIV kapszid kristályait megnöveszteni.” – közölte Dr. Yeager, éppen ezért kutatóteamje egyfajta „oszd meg és uralkodj” megközelítési módszert alkalmazott.
Az „oszd meg és uralkodj” módszer
Dr. Yeager laboratóriumában kutatóival először particionálta a HIV kapszidot kisebb komponensekbe, majd meghatározta viszonylagos szerkezetüket. Dr. Yeager csoportja a CA hexamer struktúrájára való fókuszálással kezdte munkáját. Az igazi áttörés 2007-ben született meg, amikor a csoport végre láthatta egy erőteljes elektronmikroszkóp segítségével a CA hexamerek szerkezetét. A látott struktúra nyújtotta információk irányításával 2009-ben a csoportnak sikerült a CA hexamereket becsapva, azokat képződő kristályokká változtatni.
Ezt követően a kutatók már a részecskék szerkezeteit is képesek voltak meghatározni, mégpedig egy 2-Angstromos felbontás mellett (egy Angstrom=a méter egytized milliárdja).
A hexamer atomszerkezetének megrepesztése után a kutatók figyelmüket a sokkal nehezebben megfogható pentamerek felé fordították.
Következett a pentamer
Legújabb kutatásukban Dr. Yeager és munkatársai olyan technikákat használtak a CA pentamerek kristályszerkezeteinek vizsgálatához, amelyek hasonlítanak azokhoz, amiket korábban a hexamerek esetében alkalmaztak.
Az új struktúra megmutatta, hogy öt CA protein kapcsolódik „kéz a kézbe” egy olyan végnél, amelyet N-terminalis domain-nek (angol rövidítése: NTD) neveznek, és így alkotnak egy kört. A CA proteinek ellenkező végei, amelyeket C-terminalis domain-nek (angol rövidítése: CTD) neveznek, egy laza sávot képeznek ezen centrális mag körül. Majd a CTD egy másik CTD-hez kapcsolódik, hogy a szomszédos pentamereket összekapcsolja.
A szerkezet ugyanakkor flexibilitást és mobilitást is felfedett, mind az egyes pentamereken belül lévő centrális mag és a sáv között, mind a szomszédos pentamerek CTD-CTD interfészeinél (érintkező felületeinél). A CTD alegységek képesek a relatív NTD-ket elforgatni. „Ennek eredményeképpen, minden egyes gyűrű képes felvenni enyhén különböző szöget a szomszédos gyűrűkhöz viszonyítva.” – állapítja meg a publikáció első szerzője, Dr. Pornillos.
A pentamerek szerkezete jelentős mértékben hasonló a hexamerekéhez, jegyzi meg Dr. Pornillos, de egy fontos különbséggel. Mivel a pentamerek kisebbek, mint a hexamerek, az aminosavak, a proteinek építőkövei a pentamer gyűrű központjában sokkal közelebb vannak egymáshoz, mint a hexamerben.
Nagyon sok aminosavnak van pozitív és negatív töltése. Ha két aminosav ugyanazzal a töltéssel közel kerül egymáshoz, hajlamosak egymást taszítani. Egy aminosav a CA proteinben, amelyet argininnek neveznek és pozitív töltéssel rendelkezik, egyenes beleül mind a hexamer, mind a pentamer gyűrű közepébe.
Mivel a pentamerben az argininek egymáshoz sokkal szorosabban csomagolódnak, taszítják egymást, ezáltal a pentamert egy sokkal kevésbé stabil szerkezetté teszik, mint amilyen a hexamer. Ez magyarázhatja talán, hogy miért van sokkal több hexamer az érett HIV vírus kapszidban, a pentamerekhez viszonyítva.
Az egyetlen hely, ahol a pentamerek valószínűleg kialakulnak, az a kapszidok végeinél van, ahol a kapcsolódó CA proteineknek drámai módon meg kell görbülniük, hogy képesek legyenek a kapszidot elzárni, ami egy igazi mutatvány, mivel a pentamer sokkal hajlamosabb ezt teljesíteni.
„Az arginin a kritikus fontosságú kapcsoló a hexamer és a pentamer kialakulása között. Végre meg tudjuk magyarázni, hogy a CA protein miért alakítja ki az egyiket, vagy a másikat.” – mondta Dr. Yeager.
A HIV kapszid atommodellje
Megfejtvén mind a CA hexamerek, mind a pentamerek atomszerkezetének titkát, Dr. Yeager és munkatársai először voltak képesek arra, hogy felépítsék az érett HIV kapszid egy komplett atommodelljét.
A kutatók most azt tervezik, hogy tovább finomítják a modellt, mégpedig kifinomult kompjuter programok használatával, annak érdekében, hogy meghatározhassák a szerkezet stabilitását különböző régiókban, és hogy azonosíthassák a lehetséges gyenge pontokat, amelyeket az újonnan megtervezett gyógyszerek segítségével meg tudnak majd célozni.
A kutatócsoport el fogja kezdeni az éretlen kapszid szerkezetének tanulmányozását is, annak érdekében, hogy meghatározhassák, a kapszid ezen verziója hogyan alakul át érett formává, amely olyan lépés a HIV vírus életciklusában, amely eddig rejtély maradt.
„Még nincs meg a teljes „történet”, de az első fejezet már megvan.” – összegezte Dr. Yeager munkájuk eredményeit.
