HRV3C

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Humane Rhinoviren (HRVs)

Humane Rhinoviren (HRVs) sind kleine, nicht umhüllte Viren, die zur Gattung Enterovirus innerhalb der Familie der Small RNA Viruses gehören. Es gibt drei Hauptspezies, HRV‑A, HRV‑B und HRV‑C, die jeweils mehrere Serotypen umfassen. Das humane Rhinovirus besitzt eine einzelsträngige RNA von etwa 7000 bp; dieser offene Leserahmen kodiert während der Virusinfektion ein Polyprotein, das anschließend in drei Vorläufer‑Polyproteine, P1, P2 und P3, gespalten wird. Das Vorläufer‑Polyprotein P1 wird weiter in VP1, VP2, VP3 und VP4 prozessiert; jeweils eine Kopie dieser vier Strukturproteine kann einen viralen Progenitor bilden, und 60 Progenitoren formen anschließend ein ikosaedrisches Kapsid. Die Vorläufer‑Polyproteine P2 und P3 werden hingegen weiter in sieben nicht‑strukturelle Proteine gespalten, darunter die 3C‑Protease.

3C‑Protease

Die humane Rhinovirus‑3C‑Protease (HRV‑3C‑Protease) ist als nicht‑strukturelles Protein nicht an der Assemblierung des viralen Kapsids beteiligt, spielt jedoch eine zentrale Rolle bei der Spaltung und Prozessierung der meisten Vorläuferproteine und ist damit ein Schlüsselfunktionsprotein für die Bildung reifer viraler Proteine sowie für die Virusreplikation. Derzeit werden in der Literatur lediglich drei Kristallstrukturen der humanen Rhinovirus‑3C‑Protease beschrieben, nämlich die 3C‑Proteasen der Serotypen HRV2, HRV14 und HRV16.

Struktur

Obwohl die Substratbindetasche der 3C‑Proteasen verschiedener humaner Rhinovirus‑Serotypen hoch konserviert ist, weist die S2‑aktive Tasche eine ausgeprägte Variabilität auf. Die 3C‑Protease von HRV2 besitzt in der S2‑aktiven Tasche die nicht konservierten Aminosäurereste Lys69 und Asn130; in der 3C‑Protease von HRV16 werden diese durch Aminosäuren mittlerer Größe (Lys69 und Thr130) ersetzt. Demgegenüber besteht die S2‑aktive Tasche der 3C‑Protease von HRV14 aus kleineren Aminosäuren (Asn69 und Thr130) und bildet dadurch eine größere S2‑aktive Tasche. Eine größere S2‑aktive Tasche kann einen voluminöseren P2‑Substituenten aufnehmen, und die Protease‑Inhibitor‑Interaktion in der S2‑Tasche hat einen signifikanten Einfluss auf die Inhibitoraktivität. Somit kann auf das molekulare Design der S3‑ und S4‑Taschen verzichtet und direkt ein Inhibitor 2 mit starker antiviraler Aktivität erhalten werden.

Inhibitoren

Für HRV‑anfällige Personen bedeutet eine Infektion mit HRVs eine erhebliche Belastung für Patientinnen und Patienten sowie deren Familien und verursacht zudem beträchtliche volkswirtschaftliche Schäden. Da RNA‑Viren über kein DNA‑Reparatursystem verfügen, sind sie hochmutagen und weisen eine große Diversität auf. Um Verzögerungen in der Arzneimittelentwicklung gegenüber neu auftretenden Mutanten zu vermeiden, stellt die Entwicklung von Breitband‑Inhibitoren eine wesentliche Forschungsrichtung dar. Angesichts der Schlüsselrolle der humanen Rhinovirus‑3C‑Protease bei der Virusvermehrung wurden in der Forschung gezielt Inhibitorserien entwickelt, die auf die Spezifität der Protease‑Taschen S2, S1 und S1′ ausgerichtet sind. Dazu zählen sowohl gescreente und optimierte nicht‑peptidische reversible Inhibitoren, wie z. B. heterozyklische Lipide1, als auch irreversible peptidische Inhibitoren.

Substrat‑Spaltsequenz von HRV3C

Das vom humanen Rhinovirus kodierte Polyprotein kann durch proteolytische Spaltung in 11 reife virale Proteine und funktionelle virale Enzyme überführt werden; dabei werden 8 Spaltstellen durch die humane Rhinovirus‑3C‑Protease prozessiert. Ausgehend von diesen Spaltstellen lässt sich ableiten, dass die humane Rhinovirus‑3C‑Protease spezifisch einen Abschnitt einer Aminosäuresequenz erkennt und die Spaltungsreaktion zwischen Gln‑Gly, Gln‑Ala und Glu‑Gly erfolgt. Die Ergebnisse einer Studie zeigten, dass die humane Rhinovirus‑3C‑Protease die maximale Spaltungseffizienz aufweist, wenn sie die Sequenz DSLETLFQ↓GPVYKDLE zwischen 2C und 3A erkennt. Spätere Untersuchungen ergaben, dass die kürzeste Aminosäure‑Erkennungssequenz der humanen Rhinovirus‑3C‑Protease aus 6 Aminosäuren (TLFO↓Gp) besteht und eine hohe Spezifität gegenüber Gln bzw. Gly an den Positionen P1 bzw. P1′ zeigt. Detaillierte Daten zur Aminosäurespezifität an diesen Positionen fehlen jedoch weiterhin.