Gli scienziati della Northwestern Medicine hanno scoperto come l’HIV dirotta i processi intracellulari per proliferare e contribuire alla neurodegenerazione. Più di 39 milioni di persone in tutto il mondo vivevano con l’HIV alla fine del 2022, secondo i dati dell’Organizzazione mondiale della sanità. Il trattamento per le persone che vivono con l’infezione attualmente consiste in farmaci antiretrovirali che riducono la quantità di virus nel corpo, ma non prevengono necessariamente la diffusione o curano l’infezione.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nature Communications.
HIV-1: ecco le nuove scoperte
Oltre a causare la sindrome da immunodeficienza acquisita (AIDS), il virus dell’immunodeficienza umana di tipo 1 (HIV-1) entra nel sistema nervoso centrale in circa l’80% degli individui infetti, provocando danni neuronali che spesso portano a disturbi neurocognitivi associati all’infezione (comunemente abbreviati come HAND), ha affermato Mojgan Naghavi, Ph.D., professore di microbiologia-immunologia e autore senior dello studio.
“Sebbene l’HIV-1 non infetti i neuroni, infetta le cellule mieloidi residenti nel cervello come i macrofagi e la microglia. Tuttavia, come e perché l’infezione causi condizioni come HAND è rimasto enigmatico”, ha affermato Naghavi, che è anche un membro del Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center della Northwestern University.
Precedenti ricerche del laboratorio Naghavi hanno rivelato che la proteina precursore dell’amiloide (APP) è altamente espressa nei macrofagi e nella microglia e limita la replicazione dell’HIV-1. Per contrastare questo, l’infezione promuove l’elaborazione dell’APP che alla fine si traduce nella produzione di beta-amiloidi tossici che contribuiscono a HAND, secondo la precedente ricerca di Naghavi.
Si ritiene che l’accumulo di beta-amiloide contribuisca in modo determinante alla neurodegenerazione in una varietà di malattie associate alla demenza, compreso l’Alzheimer, ma come e perché la beta-amiloide sia prodotta nei pazienti con infezione e il suo contributo all’hand rimane un mistero. disse Naghavi.
Nel presente studio, Naghavi ei suoi collaboratori hanno cercato di identificare i meccanismi alla base della funzione antivirale dell’APP.
“Abbiamo affrontato queste domande e, così facendo, abbiamo colmato una seconda questione fondamentale nella biologia delle malattie, fornendo approfondimenti su aspetti unici ma poco conosciuti della replicazione dell’HIV-1 in specifici tipi di cellule immunitarie”, ha affermato Naghavi.
Naghavi e i suoi collaboratori hanno scoperto che l’elaborazione dell’APP avviene all’interno di sottoinsiemi di corpi multivescicolari (MVB) che sono necessari anche per la replicazione dell’infezione, secondo lo studio.
In condizioni normali, l’elaborazione amiloidogenica smista questi MVB in lisosomi, organelli che smaltiscono i rifiuti cellulari. Questo elimina gli amiloidi e reprime la replicazione dell’HIV-1. Per contrastare questo, l’infezione devia lo smistamento dell’MVB dai lisosomi ai percorsi esocitici che ne supportano la replicazione, ma aumenta anche la secrezione di beta-amiloide.
Dopo aver fatto questa scoperta, Naghavi e i suoi collaboratori hanno trattato le cellule in coltura con un inibitore clinicamente approvato del percorso di elaborazione dell’APP e hanno scoperto che bloccava con successo l’accesso dell’infezione agli MVB, sopprimendo così la replicazione virale nella microglia e nei macrofagi.
I risultati indicano questo percorso come un potenziale bersaglio terapeutico per i disturbi neurocognitivi associati all’infezione, ha detto Naghavi.
Naghavi ha notato che i risultati hanno il potenziale per informare l’uso di inibitori clinicamente approvati che un giorno potrebbero essere usati per trattare HAND. Andando avanti, Naghavi ei suoi collaboratori continueranno a studiare la relazione tra HIV-1 e APP.
“Attualmente stiamo cercando di capire come l’HIV-1 e l’APP influenzino reciprocamente la localizzazione e la funzione vescicolare, e quindi il destino del virus infettivo e della produzione di amiloide tossica”, ha detto Naghavi.
Per la prima volta, gli scienziati hanno identificato e inibito un processo molecolare che può portare alla neurodegenerazione nei pazienti con l’infezione, secondo uno studio della Northwestern Medicine pubblicato su Nature Communications.
Mojgan Naghavi, Ph.D., professore associato di Microbiologia-Immunologia, era l’autore senior dello studio, e Qingqing Chai, Ph.D., un borsista post-dottorato nel laboratorio di Naghavi, era l’autore principale.
Precedenti studi hanno trovato livelli elevati di proteina beta-amiloide tossica nel cervello di pazienti con virus dell’immunodeficienza umana, causando disturbo neurocognitivo associato all’HIV (HAND). Mentre la terapia antiretrovirale di combinazione può rallentare notevolmente la progressione dell’HIV, fino al 50% di questi pazienti presenta forme più lievi di HAND.
Si ritiene che l’accumulo di beta-amiloide sia un importante contributo alla neurodegenerazione in una varietà di malattie associate alla demenza, in particolare l’Alzheimer, ma come e perché il beta-amiloide sia prodotto nei pazienti con infezione e il suo contributo all’hand era un mistero.
“Il virus dell’HIV non può infettare i neuroni perché non hanno i recettori giusti”, ha detto Naghavi, che è anche membro del Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center della Northwestern University. “Sappiamo da molto tempo di livelli elevati di beta-amiloide, ma nessuno sapeva come o perché la proteina fosse prodotta in eccesso in risposta all’infezione”.
Il primo indizio è arrivato quando Naghavi e i suoi colleghi hanno eseguito un test su larga scala alla ricerca di interazioni insolite tra proteine cellulari e Gag, un’importante proteina dell’HIV. È stato dimostrato che un certo numero di proteine si legano a Gag, ma una si è distinta: la proteina precursore dell’amiloide associata alla membrana (APP), una proteina che può essere elaborata per produrre la proteina beta-amiloide tossica.
“Abbiamo messo insieme due più due: sapevamo che l’APP è un precursore della beta-amiloide, quindi abbiamo cercato l’APP e abbiamo trovato una maggiore trasformazione di questa proteina in beta-amiloide nei macrofagi e nella microglia infetti”, ha detto Naghavi.
Macrofagi e microglia sono due tipi di cellule cerebrali non neuronali che l’HIV infetta, spesso funzionando come serbatoi della malattia nel cervello, secondo Naghavi. In quelle cellule, l’APP interferisce con l’infezione e, in risposta, l’infezione cerca di aggirare quella barriera.
Durante l’infezione di una microglia o di una cellula macrofagica, la proteina Gag dell’HIV promuove l’elaborazione dell’APP, riducendo la resistenza all’assorbimento cellulare, che ha anche l’effetto collaterale di produrre proteine beta-amiloidi tossiche, ha detto Naghavi.
“Legandosi all’APP, in qualche modo Gag lo trascina nelle regioni della membrana cellulare chiamate zattere lipidiche, dove ci sono enzimi che promuovono l’elaborazione dell’APP in beta-amiloide”, ha detto. “Questa è la prima volta che dimostriamo che l’infezione sta cercando di superare un blocco indotto dall’APP nelle microglia e nei macrofagi”.
Per ridurre l’accumulo di beta-amiloide, gli scienziati hanno preso di mira l’enzima che scinde l’APP, chiamato gamma secretasi. Un semplice inibitore che ha bloccato l’elaborazione dell’APP ha prodotto un duplice vantaggio inibendo l’infezione e riducendo la produzione di beta-amiloide, secondo Naghavi.
Quando il farmaco blocca l’elaborazione dell’APP, riduce la beta amiloide e aumenta l’APP rispetto ai modelli non drogati. Ciò si traduce nei benefici combinati della riduzione della neurodegenerazione e del mantenimento della funzione originale dell’APP di bloccare l’infezione.
“Abbiamo aperto la porta a come questi farmaci potrebbero essere usati per bloccare sia la replicazione dell’HIV sia per trattare la demenza associata all’infezione”, ha detto Naghavi. “Sarebbe anche interessante indagare se l’APP influisce sulla replicazione di altri virus neurotropici, ad esempio Zika o Cytomegalovirus”.
Tuttavia, tradurre questi risultati in un farmaco che funzioni nei pazienti è ancora lontano. I composti che hanno l’effetto desiderato possono anche essere tossici negli esseri umani o avere altri effetti collaterali indesiderati, quindi trovare farmaci non tossici in grado di modulare la gamma-secretasi è il prossimo passo verso un trattamento attuabile.
I malati di HIV vivono più a lungo grazie a trattamenti più efficaci, quindi c’è una crescente necessità di affrontare i problemi di salute cronici specifici dell’infezione che incontrano con l’età, ha affermato Naghavi.
“I pazienti HIV in terapia antiretrovirale combinata hanno quasi una vita normale, ma soffrono ancora di malattie come HAND”, ha detto Naghavi. “Questo è solo l’inizio.
I ricercatori della Northwestern Medicine hanno scoperto che una proteina regolatrice dei microtubuli inibisce l’infezione precoce, secondo i risultati pubblicati su Proceedings of the National Academy of Sciences.
Mojgan Naghavi, Ph.D., professore di microbiologia-immunologia e membro del Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center della Northwestern University, è stato autore senior dello studio.
Molti virus richiedono il complesso motore-adattatore dineina-dinactina, che è responsabile del trasporto intracellulare di carichi lungo i microtubuli sul citoscheletro di una cellula per raggiungere il nucleo. I virus sfruttano questo complesso per raggiungere il nucleo e iniziare l’infezione.
Molti virus si legano direttamente alle proteine motorie dei microtubuli per viaggiare all’interno della cellula, ma il lavoro precedente ha dimostrato che l’HIV-1 utilizza diversi meccanismi cellulari per coinvolgere indirettamente gli adattatori motori. Inoltre, a differenza di molti virus, non richiede la proteina dinactina-1 (DCTN1), il componente principale dell’adattatore di carico di dinactina per la dineina, e il significato di questo fenomeno è rimasto sconosciuto, secondo gli autori.
Analizzando le cellule infette, Naghavi e colleghi hanno scoperto che DCTN1 inibisce l’infezione precoce interferendo con la capacità del nucleo virale, o il guscio del capside che circonda il genoma del virus, di interagire con i cofattori critici ( non- sostanze chimiche proteiche) all’interno della cellula ospite.
Nello specifico, DCTN1 compete per legarsi alle particelle di HIV-1 con la proteina linker citoplasmatica 170 (CLIP170), una proteina di tracciamento plus-end dei microtubuli (+TIP), che i ricercatori avevano precedentemente dimostrato regola la stabilità dei nuclei virali dopo l’ingresso nella cellula .
Nello studio attuale, hanno scoperto che DCTN1 influenza l’infezione non come componente del complesso di dinactina ma invece come un +TIP che si lega e isola CLIP170 dall’interazione con le particelle di HIV-1 in arrivo.
“Questa funzione negativa di DCTN1 nella regolazione delle funzioni +TIP al di fuori del complesso di dinactina offre una spiegazione logica del motivo per cui l’HIV-1 potrebbe essersi evoluto lontano da DCTN1 come mezzo per coinvolgere la dineina”, ha detto Naghavi.
“I nostri risultati non solo forniscono una spiegazione del motivo per cui l’HIV-1 si è evoluto dall’utilizzo del DCTN1 come adattatore motorio, ma rivelano anche intuizioni meccanicistiche sui più ampi contributi funzionali dei +TIP nel controllo dell’infezione ” .
Secondo Naghavi, i risultati potrebbero migliorare lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche per il trattamento dell’HIV-1, poiché gli attuali farmaci mirati ai microtubuli nelle cellule , come quelli attualmente utilizzati nella chemioterapia, sono tossici.
“Farmaci più raffinati mirati a regolatori di microtubuli altamente specializzati potrebbero potenzialmente essere un approccio interessante per lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche non tossiche per il trattamento dell’HIV-1”, ha affermato Naghavi.
Quando l’HIV-1 infetta una cellula immunitaria, il virus viaggia verso il nucleo così rapidamente che non c’è abbastanza tempo per far scattare il sistema di allarme della cellula.
Ora, uno studio della Loyola University di Chicago ha scoperto la proteina che aiuta il virus a viaggiare così velocemente. I ricercatori hanno scoperto che senza questa proteina, il virus si è incagliato nel citoplasma, dove è stato rilevato dal sistema di difesa virale. (Il citoplasma è la porzione della cellula al di fuori del nucleo.)
“Impedendo il suo normale movimento, abbiamo essenzialmente trasformato l’infezione in un bersaglio facile per i sensori cellulari”, ha affermato Edward M. Campbell, PhD, corrispondente autore dello studio, pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences . Campbell è professore associato presso il Dipartimento di Microbiologia e Immunologia della Loyola University Chicago Stritch School of Medicine.
L’HIV-1 infetta e uccide le cellule del sistema immunitario, comprese le cellule T e i macrofagi che sono stati utilizzati nello studio. Ciò paralizza il sistema immunitario, rendendo il paziente vulnerabile a batteri, virus e altri agenti patogeni comuni che di solito sono innocui nelle persone con un sistema immunitario sano.
Dopo che l’HIV-1 è entrato in una cellula, deve farsi strada attraverso il citoplasma fino al nucleo. Una volta all’interno del nucleo, prende il controllo della cellula e crea ulteriori copie. Ma attraversare il citoplasma non è facile. Il citoplasma è costituito da un fluido denso di proteine e strutture come i mitocondri. “Qualcosa delle dimensioni di un virus non può semplicemente diffondersi attraverso il citoplasma”, ha detto Campbell. “Sarebbe come cercare di galleggiare in bagno in un bar molto affollato. Devi avere un piano.”
L’HIV-1 è in grado di raggiungere rapidamente il nucleo tramite binari tubolari chiamati microtubuli. Il virus si attacca a un motore molecolare chiamato dineina, che si muove lungo i microtubuli come un vagone sui binari.
Campbell e colleghi hanno scoperto il “biglietto” di cui l’HIV-1 ha bisogno per salire sul treno, una proteina chiamata D2 bicaudale. L’infezione si lega al bicaudale D2, che recluta il motore molecolare dineina . La dineina poi la trasporta verso il nucleo .
La scoperta solleva la possibilità di sviluppare un farmaco che impedisca all’HIV-1 di legarsi al bicaudale D2, bloccando così il virus nel citoplasma . Ciò non solo impedirebbe l’infezione, ma darebbe anche alla cellula il tempo di attivare i geni antivirali che la proteggerebbero e le cellule vicine dall’infezione.
L’HIV infetta e uccide le cellule del sistema immunitario , comprese le cellule T e i macrofagi. Ciò paralizza il sistema immunitario , rendendo il paziente vulnerabile a batteri, virus e altri agenti patogeni comuni che di solito non causano problemi nelle persone con un sistema immunitario sano.
Una volta che l’HIV entra in una cellula, deve trovare un modo per entrare nel nucleo, il compartimento che contiene il DNA della cellula. Molti virus correlati lo fanno aspettando che la cellula si divida, quando la membrana protettiva che circonda il nucleo si rompe. Ma l’infezione ha l’insidiosa capacità di entrare nel nucleo in una cellula non in divisione con una membrana nucleare intatta. (Questa membrana è anche conosciuta come l’involucro nucleare.)
Come l’HIV attraversi l’involucro nucleare è stato un mistero. In parte, ciò è dovuto al fatto che il nucleo (l’involucro proteico che ne protegge il genoma) è più grande del 50% rispetto ai pori dell’involucro. Questi pori normalmente consentono alle proteine cellulari e ad altri materiali di andare avanti e indietro tra il nucleo e il resto della cellula.
Campbell e colleghi hanno scoperto che una proteina motrice, chiamata KIF5B, interagisce sia con il nucleo dell’HIV-1 che con il poro nucleare in un modo che consente all’infezione di entrare nel nucleo. Normalmente KIF5B trasporta vari carichi all’interno della cellula, lontano dal nucleo. Ma l’HIV dirotta KIF5B per servire a uno scopo diverso: induce KIF5B a strappare pezzi dell’involucro nucleare e trasportarli lontano dal nucleo, rendendo così il poro abbastanza largo da consentire il passaggio dell’HIV. (I pezzi che vengono strappati sono proteine chiamate Nup358.)
La scoperta apre una potenziale nuova strategia per combattere l’HIV. Lo sviluppo di un farmaco che impedisce a KIF5B di distruggere i pori nucleari impedirebbe all’infezione di intrufolarsi nel nucleo senza essere rilevato. Ciò darebbe al sistema immunitario abbastanza tempo per suonare l’allarme per attaccare e distruggere l’infezione.
Le cellule hanno meccanismi di sorveglianza per rilevare i virus e il loro DNA nel citoplasma (la parte della cellula esterna al nucleo). Ma l’HIV in genere può entrare nel nucleo prima di essere rilevato da questi meccanismi. Intrappolare l’infezione nel citoplasma non solo impedirebbe un’infezione, ma potrebbe anche portare alla rilevazione dell’infezione e quindi a una risposta immunitaria.
“È come rendere più difficile entrare in un caveau di una banca”, ha detto Campbell. “Oltre a rendere il denaro più sicuro, aumenterebbe la possibilità di suonare l’allarme e catturare i ladri”.
I lieviti Candida normalmente vivono sulla pelle umana e sulle mucose senza causare malattie. Negli individui con un sistema immunitario indebolito, tuttavia, sono una delle principali cause di infezioni opportunistiche. Uno studio pubblicato su PLOS Pathogens mostra come l’HIV subito dopo l’infezione colpisca e distrugga specificamente le stesse cellule immunitarie che tengono sotto controllo la Candida.
Le infezioni opportunistiche – malattie clinicamente rilevanti causate da microbi solitamente innocui – sono un segno distintivo dell’HIV/AIDS e si ritiene che siano causate da un sistema immunitario progressivamente indebolito che perde la capacità di sopprimere anche i patogeni noti. È noto che le cellule T helper CD4, l’obiettivo principale dell’infezione, sono una parte fondamentale della risposta immunitaria a molti microbi opportunisti.
Le persone sieropositive tuttavia non diventano improvvisamente suscettibili a tutti i tipi di infezioni. Invece, c’è una sequenza coerente nella vulnerabilità a diversi agenti patogeni opportunistici durante la progressione degli individui con infezione da HIV verso l’AIDS.
Haitao Hu, della University of Texas Medical Branch di Galveston, USA, e colleghi, sono interessati alle ragioni di questa vulnerabilità differenziale, inclusa la domanda sul perché le comuni infezioni opportunistiche da Candida albicans si verificano precocemente durante la progressione dell’HIV/AIDS.
I ricercatori avevano precedentemente scoperto che le cellule T helper CD4 umane specifiche per C. albicans sono più permissive all’infezione da HIV in vitro rispetto alle cellule T helper CD4 specifiche per il citomegalovirus (CMV), un altro patogeno opportunista ma che di solito causa la malattia nelle fasi avanzate del HIV/AIDS.
In questo studio, esaminano come l’HIV prende di mira questi due gruppi di cellule T CD4 specifiche del patogeno negli individui con infezione da HIV nel tempo. I ricercatori hanno utilizzato campioni di sangue consecutivi di 20 individui con infezione da HIV che avevano cellule T helper CD4 specifiche per C. albicans e CMV, hanno subito una progressiva perdita del numero complessivo di cellule T helper CD4 nel tempo e che non avevano ancora iniziato il trattamento antiretrovirale . (ARTE).
Rispetto alle cellule specifiche del CMV, i ricercatori hanno scoperto che le cellule T CD4 specifiche di C. albicans erano più suscettibili all’HIV in vivo e preferenzialmente impoverite prima negli individui con infezione da HIV.
È noto che le cellule T helper CD4 specifiche di C. albicans sono disponibili in due diversi “sapori”. Alcuni di loro producono principalmente due stimolatori immunitari chiamati IL-17 e IL-22 (e sono indicati come cellule Th17), mentre altri, i cosiddetti cellule Th1, producono prevalentemente interferoni, un altro tipo di molecola di segnalazione immunitaria.
Negli individui con infezione da HIV, i ricercatori hanno osservato una disfunzione sequenziale per la risposta delle cellule T CD4 specifiche di C. albicans , con una deplezione precoce e più profonda delle cellule Th17. Ciò suggerisce che queste cellule Th17 sono quelle che principalmente impediscono a C. albicans di causare malattie in individui sani.
“Sulla base di una coorte di infezione da HIV naïve ART”, riassumono gli autori, “abbiamo studiato in modo comparativo l’impatto dinamico dell’HIV su C. albicans – e l’immunità delle cellule T CD4 specifica per CMV nei non-controllori dell’HIV. Abbiamo identificato una disfunzione sequenziale e una preferenza deplezione della risposta delle cellule T CD4 specifiche di C. albicans durante la progressiva infezione da HIV”.
I loro risultati, suggeriscono, “possono fornire una base immunologica per la perdita precoce del controllo immunitario sulla candidosi della mucosa negli individui con infezione da HIV e suggeriscono anche un potenziale meccanismo per l’insufficienza immunitaria specifica del patogeno nell’AIDS”.