HIV-Protease

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Einleitung

Nachdem das US-amerikanische Center for Disease Control (CDC) erstmals über das erworbene Immundefizienzsyndrom (AIDS) berichtet hatte, stellten Wissenschaftler fest, dass das humane Immundefizienzvirus (HIV) der ursächliche Erreger von AIDS ist. AIDS breitet sich rasch aus und verbreitete sich innerhalb kurzer Zeit weltweit. Die Forschung zu AIDS wurde nie verlangsamt, und es wurden erhebliche Fortschritte erzielt, insbesondere durch die Entwicklung einer antiretroviralen Therapie speziell gegen HIV‑1 (HIV‑1). Die Identifizierung des HIV-Retrovirus und das vertiefte Verständnis der Rolle verschiedener Komponenten in seinem Lebenszyklus haben Forschende weltweit dazu veranlasst, Inhibitoren zu entwickeln, die unterschiedliche Schritte im viralen Replikationszyklus adressieren. Ein besonders attraktives Target ist die HIV‑1‑Protease (HIV PR), die eine wesentliche Rolle bei der korrekten Assemblierung und Reifung des Virions spielt. Das Verständnis des chemischen Wirkmechanismus dieses Enzyms war stets eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung hochwirksamer Inhibitoren.

HIV ist ein Retrovirus, das seine genetische Information in Form von RNA trägt. Die Fusion von Virus- und Zellmembran ist eine Voraussetzung für die Infektion. Dieser Prozess wird durch virale Hüllglykoproteine (gp120, gp41) sowie durch Rezeptoren (CD4 und Korezeptoren) auf Zielzellen vermittelt. Nach dem Eintritt des Virus in die Zelle wird seine RNA durch Reverse Transkription in DNA umgeschrieben. Die virale DNA gelangt anschließend in den Zellkern der Wirtszelle, wo sie mittels Integrase in das genetische Material der Zelle integriert wird. Die Aktivierung der Wirtszelle führt zur Transkription der viralen DNA in Messenger-RNA, die letztlich in virale Proteine translatiert wird. Die HIV-Protease ist das dritte viruskodierte Enzym in diesem Prozess und ist für die Spaltung des viralen Polyproteinvorläufers in einzelne reife Proteine verantwortlich. Die viralen Proteine und die virale RNA werden zu neuen Virionen reassembliert, die aus der Zelle ausknospen und freigesetzt werden, um eine weitere Zelle zu infizieren.

HIV-Protease: ein logisches Target für die AIDS-Therapie

Wenn der HIV-Lebenszyklus nicht durch spezifische Therapien blockiert wird, breitet sich das Virus nach der Infektion rasch im gesamten Körper aus, wodurch die Funktion des Immunsystems beeinträchtigt oder sogar zerstört wird. Aus der Analyse des HIV-Lebenszyklus lassen sich mehrere Schritte ableiten, die eine Virusreplikation verhindern können. So sind beispielsweise mehrere kommerziell verfügbare Arzneimittel zur Hemmung der Reversen Transkriptase (RT) verfügbar, etwa die Nukleosidanaloga AZT, ddI, ddC und d4T. Deren Einsatz führt zum Abbruch der DNA-Synthese. Die zweite Kategorie sind Nicht‑Nukleosid‑Inhibitoren (NNIs) wie Nevirapin, Efavirenz und Delavirdin. Diese Inhibitoren können eine Konformationsänderung im aktiven Zentrum des Enzyms bewirken und dadurch dessen Aktivität hemmen. Ein weiterer zentraler Schritt im HIV-Lebenszyklus ist die proteolytische Spaltung von Polypeptidvorläufern in reife Enzyme und Strukturproteine durch die Katalyse der HIV PR. Es wurde gezeigt, dass unreife Viruspartikel nicht zu einer infektiösen Form ausreifen können. Die Notwendigkeit dieses Enzyms im viralen Lebenszyklus macht es zu einem vielversprechenden Target für die Behandlung der HIV-Infektion.

Struktur der HIV-Protease

HIV PR ist eine Aspartylprotease, die aus 99 Aminosäuren besteht und als Homodimer wirkt. Das National Cancer Institute hat eine Datenbank eingerichtet, die Informationen zur Struktur der HIV PR bereitstellt. Bislang wurden mehr als 140 Varianten der HIV‑1 PR, ihre Mutanten sowie Enzyme in Komplexen mit verschiedenen Inhibitoren beschrieben. Der Enzym‑Homodimer‑Komplex mit TL‑3 ist in Abb. 1 dargestellt (PDB‑ID: 3TLH).

Abbildung 1. Struktur der HIV PR im Komplex mit TL‑3 (PDB: 3TLH) (Brik, A.; Wong, C.H. 2003)

Jedes Monomer enthält eine glycinreiche β‑Faltblattregion, die als „Flap“ bezeichnet wird; ein Teil davon bildet die Substratbindungsstelle, und eine der beiden erforderlichen Aspartylreste Asp‑25 und Asp‑25' befindet sich am Boden der Kavität. Die Wechselwirkung zwischen dem Substrat und den Aminosäureseitenketten bestimmt die Spezifität des Enzyms. Unter Verwendung der Standardnomenklatur (Abb. 2) sind die S1‑ und S'1‑(S2‑ und S'2‑, etc.)‑Subsites strukturell äquivalent. Beide S1‑Subsites weisen stark hydrophobe Eigenschaften auf, und die meisten S2‑Subsites sind – mit Ausnahme von Asp‑29, Asp‑29', Asp‑30 und Asp‑30' – hydrophob. Die S3‑Subsites liegen benachbart zu den S1‑Subsites und sind ebenfalls überwiegend hydrophob.

Abbildung 2. Standardnomenklatur P1⋯Pn, P1′⋯Pn′ zur Bezeichnung von Aminosäureresten peptidischer Substrate (Brik, A.; Wong, C.H. 2003)