Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Neuraminidasi dell'influenza


Molecola del Mese di Maggio 2009

Neuraminidasi dell'influenza
Il virus dell'influenza cambia continuamente da un anno all'altro e ogni dieci anni circa compare un nuovo ceppo particolarmente pericoloso che mette a rischio la salute pubblica mondiale. Quest'anno è comparso il nuovo ceppo di influenza H1N1 conosciuto come influenza suina. La sigla H1N1 si riferisce alle due molecole che coprono la superficie del virus: H sta per emoagglutinina e N sta per neuraminidasi. Queste due molecole controllano l'infettività del virus.
L'emoagglutinina (mdm di aprile 2006) svolge un ruolo determinante quando il virus deve entrare nella cellula legandosi alle catene di polisaccaride sulla superficie cellulare e poi iniettando il DNA virale nella cellula.
La neuraminidasi, d'altra parte, entra in gioco quando il virus abbandona la cellula infettata. Assicura che il virus non resti legato ai polisaccaridi della superficie tagliando le loro catene.

Tagliare gli zuccheri
La neuraminidasi, mostrata qui a destra in alto, file PDB 1nn2, è formata da quattro subunità identiche disposte a quadrato. Normalmente è legata alla superficie del virus con un lungo braccio proteico, non mostrato qui. I siti attivi si trovano in profondi avvallamenti della superficie in alto, si legano alle catene di polisaccaridi cellulari e ne tagliano gli zuccheri terminali. La superficie della neuraminidasi ha legate alcune catene di polisaccaridi che, nella struttura in alto, si estendono verso l'alto e verso il basso e sono simili alle catene di polisaccaridi presenti sulle proteine di superficie delle nostre cellule.

Maiali e persone
Come l'emoagglutinina, anche la neuramminidasi può esistere in una varietà di sottotipi che hanno sigle N1-N9. Questi sottotipi vengono definiti in base alla loro interazione con gli anticorpi: tutte le varianti di uno stesso sottotipo vengono neutralizzati dallo stesso tipo di anticorpi. Questi sottotipi sono una delle cause della continua agressività dell'influenza. Alcuni sottotipi possono infettare le persone, altri infettano gli uccelli ed altri ancora possono attaccare i maiali e altri mammiferi. Quando virus diversi infettano uno stesso organismo, i vari sottotipi si mescolano e quindi possono ricombinarsi in modo diverso dando luogo a nuove combinazioni che occasionalmente si possono rivelare particolarmente pericolose o addirittura mortali.

Combattere l'influenza
Due sono i farmaci più efficaci attualmente in uso per combattere l'influenza: zanamivir (Relenza) e oseltamivir (Tamiflu). Questi farmaci sono stati scoperti usando strutture cristalline prese dagli archivi PDB. Studiando il legame di varie molecole con il sito attivo della neuraminidasi, i ricercatori sono riusciti ad individuarne alcune che possono agire come farmaci che imitano i substrati naturali dell'enzima. Queste molecole si legano fortemente nel sito attivo e ne bloccano l'azione, indispensabile per il rilascio del virus dalla membrana cellulare.
Qui a destra in alto sono mostrate le strutture di due neuraminidasi legate ai due farmaci.
Al centro, file PDB 3b7e, è mostrata la neuraminidasi del virus dell'influenza spagnola (che ha causato una pandemia nel 1918) legata al farmaco zanamivir (blu, parzialmente visibile all'interno della molecola).
Nella parte bassa della figura di destra, file PDB 2hu4, è mostrata la neuraminidasi del virus dell'influenza aviaria legata al farmaco oseltamivir (blu, parzialmente visibile all'interno della molecola).


Anticorpi e vaccini
Quando ci ammaliamo di influenza, il nostro sistema immunitario produce anticorpi per combattere il virus.
Un vaccino antiinfluenzale prepara il sistema immunitario a svolgere questa azione protettiva mettendolo a contatto con virus indeboliti o con frammenti innocui del virus e inducendo così il sistema immunitario a costruire i giusti anticorpi prima che si verifichi l'infezione vera e propria.
Come ci si può aspettare, gli anticorpi riconoscono le proteine sulla superficie del virus.
Gli anticorpi più efficaci sono quelli che attaccano l'emoagglutinina e così impediscono al virus di infettare nuove cellule.
Gli anticorpi contro la neuraminidasi, come quelli mostrati qui in blu, file PDB 1nca, possono rendere l'influenza più leggera e così anche loro aiutano a combattere il virus.








Esplorando la Struttura
Per progettare un nuovo farmaco bisogna procedere con grande attenzione.
I farmaci devono essere diversi dal substrato naturale dell'enzima così che l'enzima non possa demolirli chimicamente.
Nello stesso tempo i farmaci devono essere molto simili al naturale substrato dell'enzima in modo da legarsi fortemente al sito attivo e bloccarlo. E' anche molto importante che i farmaci siano simili ai substrati naturali per evitare la resistenza ai farmaci.
Un esempio di questo problema è illustrato nelle tre figure qui sotto.




La prima figura mostra la neuraminidasi legata all'acido sialico nel suo sito attivo, file PDB 2bat. Questa figura mostra la normale interazione dell'enzima con un polisaccaride, il suo substrato naturale.
La seconda figura mostra il legame con oseltamivir, uno dei farmaci usati per combattere l'influenza, file PDB 2hu4. Notate che questo è simile, ma non identico all'acido sialico. E' leggermente più grande e costringe un acido glutammico (Glu276 rosa) a piegarsi un po' verso l'istidina sopra di lui (His274 rosa).
La terza figura mostra una variante dell'enzima che ha sviluppato farmaco-resistenza, file PDB 3cl0. In questo enzima mutante, l'istidina è stata sostituita da una tirosina (Tyr274 rosa) che, essendo più grande, spinge l'acido glutammico in basso verso il farmaco. Oseltamivir può ancora legarsi, ma in modo meno forte a causa dell'interferenza con l'acido glutammico (rosa) e quindi può essere scalzato via dal polisaccaride, il substrato naturale. Il farmaco risulta quindi inefficace per combattere il virus mutante. In ogni caso vi è ancora spazio sufficiente per legare l'acido sialico e quindi l'enzima mutante funziona ancora per svolgere la sua normale azione di rilascio del virus.

Spunti per ulteriori esplorazioni
Negli archivi PDB sono disponibili le strutture di molti dei 9 diversi sottotipi di neuraminidasi. Trova altri esempi di neuraminidasi.
Nel PDB si trovano molti esempi di neuraminidasi legate ai loro inibitori. Trova somiglianze e differenze tra questi e l'acido sialico.


Bibliografia


P. M. Colman (1994) Influenza virus neuraminidase: structure, antibodies, and inhibitors. Protein Science 3, 1687-1696.

M. von Itzstein (2007) The war against influenza: discovery and development of sialidase inhibitors. Nature Reviews Drug Discovery 6, 967-974.