Les percées en imagerie donnent un aperçu des architectures dynamiques des protéines du VIH

Le virus de l’immunodéficience humaine (VIH) est un redoutable pathogène. Il mute rapidement ; en fait, les estimations suggèrent que la diversité génétique du VIH chez une seule personne à un moment donné est égale à la diversité de la grippe à travers le monde pendant une année. Le VIH a également développé des structures pour se protéger de la reconnaissance et des attaques des anticorps et des traitements. Ces facteurs contribuent tous à faire du VIH un virus dangereux et difficile à traiter.

Plus les chercheurs comprendront les processus biologiques qui sous-tendent la façon dont le VIH infecte les cellules, mieux ils pourront concevoir des traitements pour pénétrer les défenses du virus et le détruire. Aujourd’hui, les chercheurs de Caltech ont photographié une structure protéique insaisissable du VIH à l’échelle atomique, observant les détails avec une résolution d’un milliardième de mètre.

Les travaux ont été menés dans le laboratoire de Pamela Björkman, David Baltimore, professeur de biologie et de génie biologique et professeur au Merkin Institute. Un article décrivant l’étude apparaît dans la revue Nature. Les premiers auteurs de l’étude sont les chercheurs postdoctoraux de Caltech, Kim-Marie Dam et Chengcheng Fan.

Le VIH attaque principalement les cellules immunitaires appelées cellules T, les désactivant et les empêchant de défendre les autres cellules du corps contre l’infection. Lorsqu’un virion du VIH se prépare à entrer dans une cellule T, il subit des changements de forme. Celles-ci ont lieu sur la protéine d’enveloppe du virus, la protéine située à la surface du virus qui lui permet de pénétrer dans les cellules. Comme les protéines d’enveloppe sont très importantes pour le processus d’infection du virus, elles constituent de bonnes cibles pour les produits thérapeutiques ou les vaccins.

La protéine de l’enveloppe du VIH est « trimérique », ressemblant à une fleur en forme de trépied avec trois parties de « tige » – chacune appelée gp41 – et trois régions « pétales » appelées gp120. Pour initier l’infection, chacune des trois protéines gp120 s’accroche à une sorte de récepteur du lymphocyte T appelé CD4. Une fois que les trois récepteurs CD4 sont sécurisés par les trois protéines gp120, ils exposent des sites reconnus par un co-récepteur de l’hôte, puis une structure en forme d’aiguille émerge des régions de la tige de la « fleur », permettant au virus d’infecter et de gagner du terrain. entrée dans la cellule humaine.

Mais que se passerait-il si les « pétales » gp120 de la protéine d’enveloppe ne pouvaient s’accrocher qu’à un ou deux récepteurs CD4 ? La protéine d’enveloppe peut-elle encore s’ouvrir complètement pour que le virus puisse infecter la cellule ? Comprendre ce processus pourrait avoir des implications significatives pour la conception de produits thérapeutiques. Si les chercheurs pouvaient empêcher qu’un ou deux récepteurs CD4 soient saisis par un gp120, cela suffirait-il à contrecarrer l’infection ? Pour répondre à cette question ouverte, l’équipe a cherché à imager la protéine d’enveloppe dans ces scénarios avec seulement un ou deux CD4 liés.

“La caractérisation structurelle des conformations intermédiaires de l’enveloppe est extrêmement précieuse pour comprendre le fonctionnement fondamental des protéines du VIH”, explique Dam.

Mais l’imagerie de ces structures constitue un défi : la création d’« hétérotrimères », ou protéines d’enveloppe qui se lient à un ou deux récepteurs CD4 seulement, n’est pas facile à réaliser dans un tube à essai pour des raisons biochimiques. Grâce à une approche d’ingénierie innovante, l’équipe a pu concevoir un protocole pour créer des hétérotrimères stables. Ensuite, en utilisant l’expertise de Fan dans une procédure délicate appelée cryomicroscopie électronique, ils ont pu prendre des images des structures fragiles des hétérotrimères liées aux récepteurs CD4.

Les structures ont montré que si seulement un ou deux récepteurs CD4 sont liés, la protéine d’enveloppe n’est pas capable de s’ouvrir complètement et de subir le processus de changement de forme associé à l’infection.

“Une question majeure qui ressort de ce travail est la suivante : les protéines d’enveloppe qui ne s’ouvrent pas complètement peuvent-elles quand même faciliter l’infection ?” dit Dam.

L’équipe a ensuite partagé ses résultats avec le laboratoire de Walther Mothes de l’Université de Yale, qui menait des tentatives similaires pour imager des hétérotrimères. Le partage d’informations entre les deux laboratoires a montré que le comportement des hétérotrimères modifiés flottant librement dans un tube à essai (une configuration expérimentale dans laquelle les protéines sont en solution ou solubles plutôt que liées aux membranes virales) est remarquablement similaire à la façon dont les protéines d’enveloppe se trouvent à la surface du virus. se comporter dans un scénario d’infection plus « réel ».

Il s’agit d’une découverte importante car les constructions solubles sont utilisées comme base pour développer de nouveaux traitements, et il est essentiel de savoir si elles imitent avec précision les processus naturels.

Les recherches en biologie structurale comme celle-ci sont importantes non seulement pour étudier le VIH, mais aussi de nombreux types de virus.

“Nous avons tellement appris du VIH”, déclare Dam. « Lorsque la pandémie de COVID-19 a commencé, nous avons appliqué ce que nous avions appris du VIH au SRAS-CoV-2. »

“Les structures de ces conformations d’enveloppe intermédiaire jusqu’alors inconnues offrent des informations fascinantes sur les changements structurels provoqués par les interactions des récepteurs avant la fusion de l’hôte et de la membrane virale”, explique Björkman. “Notre recherche ouvre non seulement de nouvelles voies pour explorer les complexités de l’infection par le VIH, mais fournit également des informations précieuses qui vont au-delà de la conception thérapeutique, améliorant ainsi notre compréhension globale de la dynamique virale.”