Конформация белка оболочки ВИЧ-1 – ключ к разработке эффективной вакцины

Первым этапом проникновения ВИЧ в клетку является связывание гликопротеина оболочки вируса (Env), расположенного на его поверхности, с клеточными рецепторами. Env представляет собой метастабильную совокупность трех гетеродимерных комплексов, образующих так называемый тример. Профессор Маолин Лу и его коллеги приводят новые данные, которые могут побудить исследователей возобновить поиск естественных конформационных состояний тримера Env.

Перед связыванием с клеточными рецепторами тример Env находится в закрытом (естественном, нативном) конформационном состоянии. Эта конформация маскирует определенные элементы белка, которые необходимы для проникновения вируса в клетки. Если бы этого не происходило, то на них были бы нацелены Env-специфические нейтрализующие антитела, генерируемые иммунной системой в ответ на ВИЧ-1. Взаимодействие с клеточными рецепторами - сначала с CD4, а затем с ко-рецептором - запускает конформационные изменения, «открывающие» тример Env и прокладывающие путь к слиянию мембран вируса и клетки хозяина.

Использование разнообразных структур тримера Env является ключом к пониманию реакции нейтрализующего антитела хозяина и разработке вакцин на основе иммуногенов, полученных из Env-белков, стимулирующих выработку защитных антител.

Несмотря на то, что нативный тример защищен от воздействия большинства нейтрализующих антител, он в то же время остается потенциальной мишенью для антител широкого спектра действия (bnAbs), которые могут эффективно противостоять целому ряду подтипов ВИЧ-1, возникающих при мутации гена, кодирующего Env.

Антитела bnAbs были исследованы при разработке вакцины против ВИЧ, но до сих пор ни один из ее образцов не оказался достаточно эффективен, чтобы стимулировать ответную реакцию на вирус у животных или людей. Ведется поиск иммуногенов, полученных из Env, которые могут успешно запускать активность bnAb.

Решение задачи конформации нативной формы тримера Env является здесь ключевой, поскольку это состояние присутствует у белка непосредственно до момента связывания вируса с клетками и проникновения в них. Это также может быть иммуноген, который запускает производство bnAb у людей, инфицированных ВИЧ-1.

Гибкость, присущая тримеру Env, проходящему смену конформаций, даже когда он не связан с клеточным рецептором, ограничивает возможности структурного анализа, поскольку динамические процессы и метастабильные состояния не могут быть учтены с помощью кристаллизации и криоэлектронной микроскопии. Таким образом, имеющиеся у нас данные получены из анализа белков Env, которые были искусственно «стабилизированы». Структурным анализом были определены две различные конформации тримера Env - одна «закрытая» и одна «открытая» и связанная с рецептором CD4.

Структуры, известные как тримеры SOSIP, представляют собой первый тип искусственно стабилизированного тримера Env. Способность антител связывать тримеры SOSIP коррелирует со степенью их нейтрализации. Это указывает на то, что эти тримеры представляют собой нативную, относящуюся к нейтрализации, конформацию белка Env, и делает их перспективными кандидатами в иммуногены для вакцин.

Метод, называемый одно-молекулярным флуоресцентным резонансным переносом энергии (smFRET), позволяет получить информацию о близости расположения специально помеченных областей белка, которая изменяется в зависимости от его конформационного состояния. Этот метод не позволяет визуализировать общую структуру белка Env, но отслеживает открытие и закрытие тримера Env.

Перед моментом слияния с клетками возможно различить три состояния Env:

• состояние 1, «закрытое» (несвязанное), которое показывает наивысшую степень близости;
• состояние 2, чуть более открытое, промежуточное состояние;
• состояние 3, «открытое», CD4-связанное состояние.

Профессор Лу и его коллеги использовали smFRET для стабилизированных вариантов Env чтобы понять, какие именно состояния smFRET соответствует установленным моделям структуры Env-тримера. Они также проанализировали Env «дикого типа», который экспрессируется на вирусных частицах.

Проведя ряд сложных измерений, авторы показали, что «стабилизированные» Env-тримеры преимущественно принимают конформацию промежуточного состояния 2, а для Env «дикого типа» предположительно более распространено «закрытое» состояние 1.

Четыре bnAb, полученных от коров, вакцинированных иммуногеном SOSIP Env состояния 2, также принимали конформацию состояния 2 Env. Этот факт свидетельствует о том, что антитела, индуцированные вакциной, могут преимущественно распознавать конформационное состояние того иммуногена Env, который используется в ней.

В отличие от этого, как ни удивительно, большинство bnAb ВИЧ-1, выделенных от ВИЧ-1-инфицированных людей, образцы которых были использованы в данном исследовании, преимущественно нацеливались на конформацию состояния 1.

Учитывая, что иммуногены Env, которые в настоящее время исследуются для разработки вакцины, находятся в конформационном состоянии 2, эти наблюдения ставят перед учеными новые вопросы:

Какая из «закрытых» конформаций Env: состояние 1 или состояние 2 является лучшей для нейтрализации вируса? Какое состояние вызывает реакцию bnAb при естественной инфекции? И какое состояние обеспечивает лучший иммуноген для вакцинации?

Определение структуры «закрытого» состояния 1 и его функциональных свойств необходимо для ответа на эти вопросы. Кроме того, исследователи должны идентифицировать специфические ингибиторы для различных состояний Env, поскольку последние дадут понять, какие конформации являются мишенями, относящимися к нейтрализации.

Как ни интригуют наблюдения профессора Лу и его коллег, для полного понимания проблемы предстоит сделать еще очень много. Конформация, которая преобладает на нативных вирусных частицах, может и не оказаться хорошим иммуногеном, если ее структура не окажется стабильной. Кроме того, любые различия между состояниями 1 и 2 могут оказаться слишком малы, чтобы вызвать различные ответы bnAb.

Только непосредственное сравнение вакцин с использованием иммуногенов, основанных на обеих конформациях Env, поможет решить эту проблему. Хотя иммуногены состояния 1 недоступны, предстоящие испытания вакцин с иммуногенами состояния 2 дадут соответствующие данные для этой дискуссии.

Определение относительной важности различных конформационных состояний тримера Env ВИЧ-1 до его слияния с клетками-хозяевами напоминает задачу голландского художника М.С. Эшера, вырезанную для зрителей в его оптической иллюзии 1938 года «Три птицы». Подобно выбору доминирующего цвета птицы в порхающей стае, выбор наиболее релевантной конформации Env среди переходных связанных с pre-CD4 состояний тримера зависит от контекста, в котором они рассматриваются.