Mentre il virus dell‘HIV scivola fuori da una cellula umana per agganciarsi ed eventualmente iniettare il suo carico mortale di codice genetico, c’è un momento straordinariamente breve in cui un minuscolo pezzo della sua superficie si apre di scatto per iniziare il processo di infezione.
Vedere quella struttura aprirsi e chiudersi in pochi milionesimi di secondo sta dando ai ricercatori del Duke Human Vaccine Institute (DHVI) un nuovo approccio alla superficie del virus che potrebbe portare alla produzione di anticorpi ampiamente neutralizzanti per un vaccino contro l’AIDS.
I risultati dello studio sono stati pubblicati su Science Advances.
HIV: ecco cosa significa la nuova scoperta
Essere in grado di attaccare un anticorpo specifico a questa piccola struttura che ne impedirebbe l’apertura sarebbe fondamentale.
La parte mobile è una struttura chiamata glicoproteina dell’involucro, e i ricercatori sull’AIDS stanno cercando di capirla da anni perché è una parte fondamentale della capacità del virus di agganciarsi a un recettore delle cellule T noto come CD4. Molte parti dell’involucro si muovono costantemente per eludere il sistema immunitario, ma gli immunogeni dei vaccini sono progettati per rimanere relativamente stabili.
“Tutto ciò che tutti abbiamo fatto per cercare di stabilizzare questa (struttura) non funzionerà, a causa di ciò che abbiamo imparato”, ha detto l’autore principale Rory Henderson, un biologo strutturale e professore associato di medicina al DHVI. “Non è che abbiano fatto qualcosa di sbagliato; è solo che non sapevamo che le cose andassero in questo modo.”
La ricercatrice post-dottorato e coautrice dello studio Ashley Bennett offre un play-by-play: mentre il virus cerca il suo miglior punto di attacco su una cellula T umana, il recettore CD4 della cellula ospite è la prima cosa a cui si attacca. Questa connessione è ciò che poi fa sì che la struttura dell’involucro si apra, il che a sua volta espone un sito di legame del co-recettore “e questo è l’evento che conta davvero”.
Una volta che entrambe le molecole del virus si sono legate alla membrana cellulare , può iniziare il processo di iniezione dell’RNA virale. “Se entra nella cellula, l’infezione diventa permanente”, ha detto Henderson.
“Se vieni infettato, hai già perso la partita perché è un retrovirus”, concorda Bennett.
La struttura mobile trovata protegge il sensibile sito di legame del co-recettore del virus. “È anche un fermo per impedirgli di scattare finché non è pronto per scattare”, ha detto Henderson. Mantenerlo bloccato con un anticorpo specifico fermerebbe il processo di infezione.
Per vedere le parti virali in vari stati aperti, chiusi e intermedi, Bennett e Henderson hanno utilizzato un acceleratore di elettroni presso l’Argonne National Laboratory fuori Chicago che produce raggi X a lunghezze d’onda in grado di risolvere qualcosa di piccolo come un singolo atomo. Ma questa attrezzatura costosa e condivisa è molto richiesta. Ai ricercatori sull’AIDS sono stati assegnati tre blocchi di tempo di 120 ore con il sincrotrone per cercare di ottenere quanti più dati potevano nelle sessioni di maratona. “Fondamentalmente, vai avanti finché non puoi più”, ha detto Bennett.
Ricerche precedenti effettuate altrove avevano sostenuto che gli anticorpi erano stati progettati per le forme sbagliate del virus e questo lavoro dimostra che probabilmente era corretto.
“La domanda è stata ‘perché, quando immunizziamo, otteniamo anticorpi verso luoghi che dovrebbero essere bloccati?'”, ha detto Henderson. Parte della risposta dovrebbe risiedere in questa particolare struttura e nel suo cambiamento di forma.
“È l’interazione tra il legame dell’anticorpo e la sua forma ad essere davvero fondamentale per il lavoro che abbiamo svolto”, ha detto Henderson. “E questo ci ha portato a progettare un immunogeno il giorno in cui siamo tornati dal primo esperimento. Pensiamo di sapere come funziona.”
Il percorso verso un vaccino contro l’HIV di successo dipende da un primo passo fondamentale: l’attivazione di cellule immunitarie specifiche che inducono anticorpi ampiamente neutralizzanti.
In un articolo pubblicato sulla rivista Cell , un gruppo di ricerca guidato dal Duke Human Vaccine Institute ha raggiunto il passo iniziale richiesto in uno studio utilizzando scimmie. La fase successiva del lavoro passerà ora alla sperimentazione sugli esseri umani.
“Questo studio conferma che gli anticorpi sono, a livello strutturale e genetico, simili all’anticorpo umano di cui abbiamo bisogno come base per un vaccino protettivo contro l’HIV “, ha affermato il primo autore Kevin O. Saunders, Ph.D., direttore associato del il Duke Human Vaccine Institute e professore associato nei dipartimenti di Chirurgia, Genetica Molecolare e Microbiologia e Immunobiologia Integrativa.
“Siamo sulla strada giusta”, ha detto. “Da qui, dobbiamo solo iniziare a mettere insieme i componenti aggiuntivi di un vaccino.”
Nel lavoro precedente, il gruppo di ricerca aveva isolato anticorpi ampiamente neutralizzanti presenti in natura da un individuo, e poi aveva ripercorso tutti i cambiamenti subiti dall’anticorpo e dal virus per raggiungere un punto di origine per l’anticorpo nativo e il suo sito di legame sull’HIV. busta.
Con questa conoscenza, hanno progettato una molecola che suscita anticorpi che imitano l’anticorpo nativo e il suo sito di legame sull’involucro dell’HIV.
Quattro anni fa, Saunders e colleghi hanno pubblicato uno studio su Science in cui hanno stabilito che le scimmie producevano anticorpi neutralizzanti quando vaccinate con l’immunogeno ingegnerizzato, ma non era chiaro se quegli anticorpi fossero come l’anticorpo ampiamente neutralizzante necessario per un vaccino umano.
Nel presente studio, i ricercatori hanno creato una nuova formulazione più potente del vaccino e l’hanno somministrata alle scimmie. Questa volta, il loro obiettivo era determinare se gli anticorpi neutralizzanti generati negli animali fossero strutturalmente e geneticamente simili agli anticorpi necessari negli esseri umani. Li avevamo.
“Pensavamo di essere sulla strada giusta nel 2019 e ora disponiamo di dettagli a livello atomico che confermano tali risultati”, ha affermato Saunders. “È un passo avanti importante”.
Il virus dell’immunodeficienza umana (HIV) è un formidabile agente patogeno. Muta rapidamente; infatti, le stime suggeriscono che la diversità genetica del virus in una singola persona in un dato momento è uguale alla diversità dell’influenza in tutto il mondo per un anno. L’infezione ha anche sviluppato strutture per proteggersi dal riconoscimento e dall’attacco da parte di anticorpi e terapie. Tutti questi fattori contribuiscono a rendere il virus pericoloso e difficile da trattare.
Quanto più i ricercatori riusciranno a comprendere i processi biologici alla base del modo in cui l’HIV infetta le cellule, tanto meglio potranno progettare trattamenti per penetrare le difese del virus e distruggerlo. Ora, i ricercatori del Caltech hanno fotografato la sfuggente struttura della proteina HIV su scala atomica, vedendone i dettagli con una risoluzione di un miliardesimo di metro.
Il lavoro è stato condotto nel laboratorio di Pamela Björkman, David Baltimora, professore di biologia e ingegneria biologica e professore del Merkin Institute. Un articolo che descrive lo studio appare sulla rivista Nature . I primi autori dello studio sono gli studiosi post-dottorato del Caltech Kim-Marie Dam e Chengcheng Fan.
L’HIV attacca principalmente le cellule immunitarie chiamate cellule T, disabilitandole in modo che non possano difendere altre cellule del corpo dalle infezioni. Quando un virione dell’HIV si prepara a entrare in una cellula T, subisce alcuni cambiamenti di forma. Questi avvengono sulla cosiddetta proteina dell’involucro del virus, la proteina sulla superficie del virus che gli consente di entrare nelle cellule. Poiché le proteine dell’involucro sono così importanti per il processo di infezione del virus, sono buoni bersagli per terapie o vaccini.
La proteina dell’involucro dell’HIV è “trimerica”, somigliante a un fiore simile a un treppiede con tre porzioni di “stelo” – ciascuna chiamata gp41 – e tre regioni “petalo” chiamate gp120. Per avviare l’infezione, ciascuna delle tre proteine gp120 si aggancia a un tipo di recettore sulla cellula T chiamato CD4. Una volta che tre recettori CD4 sono fissati dalle tre proteine gp120, espongono siti che vengono riconosciuti da un corecettore ospite, e quindi una struttura aghiforme emerge dalle regioni dello stelo del “fiore”, consentendo al virus di infettare e acquisire ingresso nella cellula umana.
Cosa succede se i “petali” della proteina gp120 riescono ad agganciarsi solo a uno o due recettori CD4? La proteina dell’involucro può ancora aprirsi completamente in modo che il virus possa infettare la cellula? Comprendere questo processo potrebbe avere implicazioni significative per la progettazione di terapie.
Se i ricercatori potessero impedire che solo uno o due recettori CD4 vengano catturati da un gp120, ciò sarebbe sufficiente per contrastare l’infezione? Per rispondere a questa domanda aperta, il team ha cercato di immaginare la proteina dell’involucro in questi scenari con solo uno o due CD4 legati.
“Caratterizzare strutturalmente le conformazioni dell’involucro intermedio è incredibilmente prezioso per capire come funzionano le proteine dell’HIV a un livello fondamentale”, afferma Dam.
Ma l’imaging di queste strutture è una sfida: creare “eterotrimeri”, o proteine dell’involucro che legano solo uno o due recettori CD4, non è facile da realizzare in una provetta per ragioni biochimiche. Attraverso un approccio ingegneristico innovativo, il team è riuscito a ideare un protocollo per creare eterotrimeri stabili. Quindi, utilizzando l’esperienza di Fan in una delicata procedura chiamata microscopia crioelettronica , sono stati in grado di acquisire immagini delle fragili strutture degli eterotrimeri legate ai recettori CD4.
Le strutture hanno dimostrato che se sono legati solo uno o due recettori CD4, la proteina dell’involucro non è in grado di aprirsi completamente e di subire il processo di cambiamento di forma associato all’infezione.
“Una delle principali domande che emergono da questo lavoro è: possono le proteine dell’involucro che non si aprono completamente facilitare comunque l’infezione?” dice Dam.
Il team ha poi condiviso i risultati con il laboratorio di Walther Mothes presso l’Università di Yale, che stava conducendo tentativi simili per visualizzare gli eterotrimeri. La condivisione delle informazioni tra i due laboratori ha dimostrato che il comportamento degli eterotrimeri ingegnerizzati che fluttuano liberamente in una provetta (una configurazione sperimentale in cui le proteine sono in soluzione o solubili anziché legate alle membrane virali) è notevolmente simile al modo in cui le proteine avvolgono sulla superficie virale comportarsi in uno scenario di infezione più “reale”.
Questa è una scoperta importante perché i costrutti solubili vengono utilizzati come base per lo sviluppo di nuove terapie ed è fondamentale sapere se imitano accuratamente i processi naturali.
La ricerca di biologia strutturale come questa non è importante solo per studiare l’HIV ma molti diversi tipi di virus.
“Abbiamo imparato tanto dall’HIV”, afferma Dam. “Quando è iniziata la pandemia di COVID-19, abbiamo applicato ciò che avevamo imparato dall’HIV alla SARS-CoV-2.”
“Le strutture di queste conformazioni dell’involucro intermedio, precedentemente sconosciute, offrono spunti affascinanti sui cambiamenti strutturali guidati dalle interazioni dei recettori prima della fusione dell’ospite e della membrana virale”, afferma Björkman. “La nostra ricerca non solo apre nuove strade per esplorare le complessità dell’infezione da HIV, ma fornisce anche preziose informazioni che vanno oltre il disegno terapeutico, migliorando la nostra comprensione generale delle dinamiche virali”.