HIV-Protease

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Einführung

Nachdem das US-Zentrum für Krankheitskontrolle (CDC) erstmals das erworbene Immunschwächesyndrom (AIDS) berichtete, entdeckten Wissenschaftler, dass das humane Immunschwächevirus (HIV) der ursächliche Erreger von AIDS ist. AIDS breitet sich schnell aus und verbreitet sich in kurzer Zeit über die ganze Welt. Wissenschaftler haben die Forschung zu AIDS nie verlangsamt, und es gab große Fortschritte, insbesondere die Entwicklung von antiretroviraler Therapie speziell für HIV-1 (HIV-1). Die Identifizierung des HIV-Retrovirus und das tiefere Verständnis der Rolle verschiedener Elemente in seinem Lebenszyklus haben Forscher auf der ganzen Welt dazu angeregt, Inhibitoren zu entwickeln, die verschiedene Schritte im Lebenszyklus des Virus anvisieren. Ein attraktives Ziel ist die HIV-1-Protease (HIV PR), die eine wichtige Rolle bei der ordnungsgemäßen Assemblierung und Reifung des Virions spielt. Das Verständnis des chemischen Mechanismus dieses Enzyms war immer eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung hochwirksamer Inhibitoren.

HIV ist eine Art von Retrovirus, das genetische Informationen in Form von RNA trägt. Die Fusion von Virus und Zellmembran ist eine Voraussetzung für die Infektion. Dieser Prozess wird durch virale Hüllenglykoproteine (gp120, gp41) und Rezeptoren (CD4 und Co-Rezeptoren) auf Zielzellen vermittelt. Wenn das Virus in die Zelle eindringt, wird seine RNA in DNA umgeschrieben. Die virale DNA gelangt dann in den Zellkern der Wirtszelle, wo die DNA durch Integrase in das genetische Material der Zelle integriert wird. Die Aktivierung der Wirtszelle führt zur Transkription der viralen DNA in messenger RNA, die letztendlich in virale Proteine übersetzt wird. Die HIV-Protease ist das dritte vom Virus kodierte Enzym in diesem Prozess, das dafür verantwortlich ist, das Virus-Polyprotein-Vorläufer in einzelne reife Proteine zu spalten. Das virale Protein und die virale RNA werden zu neuen Virionen wieder zusammengesetzt, die von der Zelle abschnüren und freigesetzt werden, um eine andere Zelle zu infizieren.

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

Es sei denn, der HIV-Lebenszyklus wird durch spezifische Behandlungen blockiert, wird sich das Virus nach der Infektion schnell im Körper ausbreiten und das Immunsystem des Körpers beeinträchtigen oder sogar zerstören. Durch die Analyse des HIV-Lebenszyklus werden mehrere Schritte zusammengefasst, die die Virusreplikation verhindern können. Zum Beispiel gibt es mehrere kommerziell erhältliche Medikamente, die die umgekehrte Transkriptase (RT) hemmen können, wie die Nukleosid-Analoga AZT, ddI, ddC und d4T. Ihre Teilnahme wird die Produktion von DNA stoppen. Die zweite Kategorie sind nicht-nukleosidische Inhibitoren (NNIs), wie Nevirapin, Efavirenz und Delavirdin. Diese Inhibitoren können eine konformationale Änderung im aktiven Zentrum des Enzyms verursachen und damit dessen Wirkung hemmen. Ein weiterer wichtiger Schritt im HIV-Lebenszyklus ist die proteolytische Spaltung von Polypeptidvorläufern in reife Enzyme und Strukturproteine durch die Katalyse von HIV PR. Es wurde gezeigt, dass unreife virale Partikel nicht zur infektiösen Form reifen können. Die Notwendigkeit dieses Enzyms im Lebenszyklus des Virus macht es zu einem vielversprechenden Ziel für die Behandlung von HIV-Infektionen.

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 erstellt, die Informationen über die Struktur von HIV PR bereitstellt. Bisher wurden mehr als 140 Typen von HIV-1 PR, seine Mutanten und Enzyme, die mit verschiedenen Inhibitoren komplexiert sind, berichtet. Der Enzym-Homodimer-Komplex mit TL-3 ist in Abb. 1 dargestellt (PDB-ID: 3TLH).

Abbildung 1. Struktur von HIV PR komplexiert mit TL-3 (PDB: 3TLH) (Brik, A.; Wong, C.H. 2003)

Jedes Monomer enthält einen glycinreichen β-Faltblattbereich, der als Flap bezeichnet wird, von dem ein Teil die Substratbindungsstelle bildet und eines der beiden notwendigen Aspartyl-Reste Asp-25 und Asp-25' sich am Boden der Höhle befindet. Die Wechselwirkung zwischen dem Substrat und den Seitenketten der Aminosäuren bestimmt die Spezifität des Enzyms. Mit der standardmäßigen Nomenklatur (Abb. 2) sind die S1- und S'1 (S2 und S'2, usw.) Substellen strukturell äquivalent. Beide S1-Substellen haben starke hydrophobe Eigenschaften, und die meisten der S2-Substellen, mit Ausnahme von Asp-29, Asp-29', Asp-30 und Asp-30', sind hydrophob. Die S3-Substellen liegen benachbart zu den S1-Substellen und sind ebenfalls größtenteils hydrophob.

Abbildung 2. Standardnomenklatur P1⋯Pn, P1′⋯Pn′ wird verwendet, um Aminosäurereste von Peptidsubstraten zu bezeichnen (Brik, A.; Wong, C.H. 2003)