Die Neutronen-Kristallographie zeigt Strukturen von HIV-1-Protease / Arzneimittel-Komplexen

Vorbereitung für Proteinkristallisation (Juni 2019).

Anonim

HIV, das Virus, das AIDS verursacht, ist zu einer der größten Herausforderungen für Gesundheit und Entwicklung geworden. Gegenwärtig leben etwa 36, 9 Millionen Menschen mit HIV, und mehrere Millionen Menschen sind seit Beginn der Epidemie im Jahr 1981 an AIDS-bedingten Krankheiten gestorben.1 HIV beeinträchtigt nicht nur die Gesundheit von Menschen, sondern auch Haushalte, Gemeinschaften und die Entwicklung und wirtschaftliches Wachstum der Nationen - es gibt immer noch keine Heilung.

HIV-Behandlung umfasst Medikamente zur Vorbeugung und Behandlung der vielen opportunistischen Infektionen, die auftreten können, wenn das Immunsystem durch HIV beeinträchtigt wird, sowie die antiretrovirale Therapie (ART), um das Virus selbst anzugreifen, mit dem Ziel, die Entwicklung von AIDS zu stoppen. ART, das erstmals 1996 eingeführt wurde, hat zu einer dramatischen Verringerung der Morbidität und Mortalität geführt; Weltweit werden 40% der Menschen, die mit HIV leben, behandelt. HIV-1-Protease ist ein Enzym, das für die Reifung von Viruspartikeln zu infektiösen HIV-Virionen verantwortlich ist, was letztlich zur Entwicklung von AIDS führt. Ohne wirksame HIV-1-Protease-Aktivität bleiben HIV-Virionen nicht-infektiös - mit dieser integralen Rolle bei der HIV-Replikation ist die Unterbrechung der HIV-1-Protease-Aktivität daher ein Schlüsselziel für erfolgreiche ART-Arzneimittel.

Das Design wirksamer ART-Arzneimittel wurde von den Strukturen der HIV-1-Protease / Arzneimittel-Komplexe bestimmt, die mittels Röntgenkristallographie bestimmt wurden, und obwohl dies zur Entwicklung kommerziell erhältlicher Arzneimittel geführt hat, ist eine Beschränkung der Methode, dass die Positionen von Mobile Wasserstoffatome und Protonen können nicht mit Röntgenstrahlen bestimmt werden, und dennoch ist die Kenntnis ihrer Position und Bewegung für die Entwicklung effektiverer Arzneimitteltherapien unerlässlich, da Wasserstoffbrücken eine entscheidende Rolle dabei spielen, wie effektiv ein Medikament an sein Ziel bindet.

Kürzlich jedoch hat eine Zusammenarbeit zwischen der Georgia State University, USA, dem Oak Ridge National Laboratory, USA (ORNL), und dem Institut Laue-Langevin, Frankreich (ILL), die Neutronenkristallographie verwendet, um die Struktur der HIV-1-Protease im Komplex mit der Der klinische Inhibitor Darunavir ermöglicht es, Details der Wasserstoffbrücken-Wechselwirkungen im aktiven Zentrum zu bestimmen und Wege aufzuzeigen, die Wirkstoffbindung zu verstärken und die Arzneimittelresistenz zu reduzieren. Die Gruppe war auch in der Lage, die Empfindlichkeit des Enzyms für seine katalytische Aktivität auf den pH-Wert zu untersuchen.

Durch die Bestimmung von Strukturen bei unterschiedlichen pH-Werten konnte die Gruppe direkt die Position von Wasserstoffatomen vor und nach einem pH-induzierten Zwei-Protonen-Transfer zwischen dem Wirkstoff und dem Enzym beobachten. Die Protonenkonfiguration mit niedrigem pH-Wert an der katalytischen Stelle, die für die katalytische Wirkung dieses Enzyms entscheidend ist, wurde durch elektrostatische Effekte ausgelöst, die durch Protonierungszustandsänderungen von Oberflächenresten weit vom aktiven Zentrum herrühren. Diese Details können beim Entwurf neuer effektiverer ART-Arzneimittel helfen und waren nur durch die Verwendung der Neutronen-Kristallographie möglich.

Matthew Blakeley, Wissenschaftler am ILL-Institut, sagte: "Diese Ergebnisse zeigen, dass Neutronen eine ausgezeichnete Sonde sind, um strukturelle Details für Protonentransferreaktionen in biologischen Systemen zu erhalten."

R & D-Wissenschaftler am ORNL, Dr. Andrey Kovalevsky, fügte hinzu: "Die Struktur von Darunavir ermöglicht es, mehr Wasserstoffbrücken mit dem aktiven Zentrum der Protease zu bilden als die meisten seiner Art, während das Rückgrat der HIV-1-Protease seine räumliche Konformation bei Mutationen beibehält Dies bedeutet, dass die Darunavir-Protease-Interaktion weniger durch eine Mutation gestört wird. Angesichts dieser Eigenschaften ist Darunavir ein ausgezeichnetes Therapieziel, um die HIV-Behandlung zu verfeinern und somit zu verbessern. " In den USA und im Vereinigten Königreich wurden die Kosten für das Gesundheitswesen mit Darunavir niedriger angesetzt als für andere ähnliche Medikamente, was Darunavir verständlicherweise zu einem Schwerpunkt für die Arzneimittelinnovation im Bereich der HIV-Therapie macht.

Die direkte Beobachtung des Protonentransfers in chemischen und biologischen Systemen ist eine Herausforderung; Die makromolekulare Neutronenkristallographie war entscheidend für die Bereitstellung von Schlüsseldetails in Bezug auf Wasserstoff, die für die Beantwortung langjähriger Fragen über den Enzymmechanismus dieses wichtigen HIV-Wirkstoffziels benötigt wurden. Darüber hinaus kann die Beobachtung, dass sich die Aminosäure-Protonierungszustände, die vom aktiven Zentrum entfernt sind, eine Änderung der Wasserstoffkonfiguration im aktiven Zentrum auslösen lassen, auf andere Aspartatproteasen und vielleicht auch auf Enzyme allgemein zutreffen. Mit den kürzlich erfolgten Verbesserungen erweitert sich das Gebiet der makromolekularen Neutronenkristallographie, wobei Studien eine Vielzahl wichtiger biologischer Prozesse von der Proteinfaltung bis zur Antibiotikaresistenz und dem Protonentransport durch biologische Membranen angehen.

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