27.10.2020 - The Scripps Research Institute (TSRI)

Neue Bildgebungsmethode zeigt den Zuckerschild von HIV in bisher ungekannter Detailtiefe

Die Technik soll bei der Entwicklung von Impfstoffen gegen HIV, SARS-CoV-2 und andere Viren helfen, die ihre äußeren Proteine mit Zucker umhüllen, um Antikörpern auszuweichen

Wissenschaftler von Scripps Research und dem Los Alamos National Laboratory haben eine Methode entwickelt, um das Dickicht der Zuckermoleküle, die HIV vor dem Immunsystem schützen, in noch nie dagewesenem Detail zu kartieren.

Die Kartierung dieser Schilde wird den Forschern ein vollständigeres Verständnis darüber vermitteln, warum Antikörper auf einige Stellen des Virus reagieren, auf andere jedoch nicht, und kann die Entwicklung neuer Impfstoffe beeinflussen, die auf die am stärksten gefährdeten und zugänglichsten Stellen von HIV und anderen Viren abzielen.

Die Zuckermoleküle, oder "Glykane", sind locker und fadenförmig und fungieren als Schutzschilde, weil sie für Antikörper schwer zu greifen sind und den Zugang zur Proteinoberfläche blockieren. Die Schilde bilden sich auf den äussersten Spike-Proteinen von HIV und vielen anderen Viren, einschliesslich SARS-CoV-2, dem Coronavirus, das COVID-19 verursacht, weil diese Viren auf ihren Spike-Proteinen Stellen entwickelt haben, an denen sich Glykanmoleküle - die normalerweise in den Zellen reichlich vorhanden sind - automatisch anlagern.

"Wir haben jetzt eine Möglichkeit, die vollständigen Strukturen dieser ständig schwankenden Glykanschilde zu erfassen, die zu einem großen Teil bestimmen, wo Antikörper an ein Virus wie HIV binden können und wo nicht", sagt der Hauptautor der Studie, Dr. Zachary Berndsen, PhD, ein postdoktoraler wissenschaftlicher Mitarbeiter im strukturbiologischen Labor von Scripps Research Professor Andrew Ward, PhD.

Dieselbe wellenförmige Flexibilität, die diese zuckerhaltigen Moleküle gegen Antikörper resistent macht, hat es den Forschern unmöglich gemacht, sie mit der herkömmlichen Bildgebung im atomaren Maßstab zu erfassen. In der neuen Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences erscheint, entwickelten die Wissenschaftler Techniken, die es zum ersten Mal ermöglichen, diese schwer fassbaren Moleküle auf der Oberfläche des HIV-Spike-Proteins, bekannt als "Env", sehr detailliert abzubilden.

Das Scripps-Forschungsteam arbeitete mit dem Labor von Gnana Gnanakaran, PhD, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Los Alamos National Laboratory zusammen, das mit Hochleistungscomputerressourcen ausgestattet ist, die neue Ansätze für die Modellierung der Glykane ermöglichten.

Die Forscher kombinierten ein bildgebendes Verfahren auf atomarer Ebene, die so genannte Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), mit hochentwickelter Computermodellierung und einer Molekül-Identifizierungstechnik, der so genannten ortsspezifischen Massenspektrometrie. Kryo-EM beruht auf der Mittelwertbildung von Zehn- oder Hunderttausenden einzelner Momentaufnahmen, um ein klares Bild zu erzeugen, so dass hochflexible Moleküle wie Glykane nur verschwommen erscheinen, wenn sie überhaupt auftauchen.

Aber durch die Integration der Kryo-EM mit den anderen Technologien konnten die Forscher dieses verlorene Glykansignal wiederherstellen und zur Kartierung von Schwachstellen auf der Oberfläche von Env.

"Dies ist das erste Mal, dass Kryo-EM zusammen mit rechnergestützter Modellierung eingesetzt wurde, um die Struktur des Virenschutzschildes im atomaren Detail zu beschreiben", sagt Dr. Srirupa Chakraborty, Co-Lead-Autor und Postdoktorand im Gnanakaran-Labor des Los Alamos National Laboratory.

Der neue kombinierte Ansatz offenbarte die Struktur und die dynamische Natur der Glykane bis ins kleinste Detail und half dem Team, besser zu verstehen, wie diese komplexe Dynamik die in den Kryo-EM-Karten beobachteten Merkmale beeinflusst. Anhand dieser Fülle von Informationen konnte das Team beobachten, dass die einzelnen Glykane nicht einfach wahllos auf der Oberfläche des Spike-Proteins herumwackeln, wie einst angenommen wurde, sondern stattdessen in Büscheln und Dickichten zusammenklumpen.

"Es gibt Brocken von Glykanen, die sich scheinbar bewegen und miteinander interagieren", sagt Berndsen. "Zwischen diesen Glykan-Mikrodomänen befindet sich die Stelle, an der Antikörper offenbar die Möglichkeit haben, sich zu binden.

Experimentelle HIV-Impfstoffe sind auf modifizierte, im Labor hergestellte Env-Proteine angewiesen, um Antikörperreaktionen hervorzurufen. Im Prinzip hängt die Wirksamkeit dieser Impfstoffe zum Teil von der Positionierung und dem Ausmaß der Schutzglykane auf diesen im Labor hergestellten viralen Proteinen ab. Daher wendeten Berndsen und Kollegen ihre Methode an, um die Glykane auf einem modifizierten HIV-Env-Protein, BG505 SOSIP.664, abzubilden, das in einem HIV-Impfstoff verwendet wird, der derzeit in klinischen Studien untersucht wird.

"Wir fanden Flecken auf der Oberfläche dieses Proteins, die normalerweise mit Glykanen bedeckt wären, es aber nicht waren - und das könnte erklären, warum Antikörperreaktionen auf diese Stelle in Impfversuchen beobachtet wurden", sagt Berndsen.

Dieser Befund und andere in der Studie zeigten, dass der Glykan-Schutzschild von Env je nachdem, welcher Zelltyp zu seiner Herstellung verwendet wird, variieren kann. Bei HIV-Infektionen von Menschen benutzt das Virus menschliche Immunzellen als Fabriken, um seine Proteine zu replizieren. Aber virale Proteine, die zur Herstellung von Impfstoffen verwendet werden, werden normalerweise in anderen Arten von Säugetierzellen produziert.

Bei einer weiteren überraschenden Entdeckung stellte das Team fest, dass das gesamte Protein auseinanderzufallen begann, als es mit Hilfe von Enzymen Glykane langsam aus dem HIV-Env entfernte. Berndsen und seine Kollegen vermuten, dass der Glykan-Schutzschild von Env, der bisher nur als Abwehr gegen Antikörper angesehen wurde, auch eine Rolle dabei spielen könnte, die Form und Stabilität von Env zu steuern und es für eine Infektion bereit zu halten.

Das Team geht davon aus, dass ihre neuen Glykan-Mapping-Methoden bei der Entwicklung von Impfstoffen - und nicht nur für HIV - besonders nützlich sein werden. Viele der Techniken lassen sich direkt auf andere mit Glykanen abgeschirmte Viren wie Influenzaviren und Coronaviren anwenden und können auf bestimmte Krebsarten ausgedehnt werden, bei denen Glykane eine Schlüsselrolle spielen, sagen die Forscher.

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