Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato
HIV Integrasi

Molecola del Mese di Marzo 2011
Parole chiave: retrovirus, ciclo vitale retrovirale, integrazione del DNA, HIV, AIDS, raltegravir


Introduzione
I retrovirus, come l'HIV, sono particolarmente insidiosi. La maggior parte dei virus quando infettano una cellula, la costringono a costruire molte copie del virus e poi se ne vanno quando la cellula è stata usata. I retrovirus, invece, causano una infezione che si svolge in tempi molto più lunghi. Quando penetrano in una cellula usano il loro genoma di RNA come stampo per sintetizzare una catena di DNA (operazione chiamata retrosintesi, da cui il nome retrovirus). Poi inseriscono questo DNA virale all'interno del DNA della cellula ospite. Il DNA inserito può entrare subito in azione per sintetizzare molte copie del virus, oppure può rimanere silente aspettando il momento migliore per iniziare la produzione di nuovi virus. Questa è una delle ragioni per cui l'HIV è così difficile da combattere: può restare in attesa nelle cellule infettate per anni.

Integrazione del DNA
L'integrasi è l'enzima che inserisce il DNA virale in un cromosoma della cellula. Quattro copie identiche di integrasi si legano ai due capi del DNA virale, creando un complesso stabile chiamato intasoma. L'intasoma poi si lega al DNA cellulare e realizza la reazione di trasferimento di catena unendo il DNA virale al DNA cellulare. La struttura mostrata qui a destra (file PDB 3os1) include quattro subunità di integrasi (blu) e tre corti segmenti di DNA che corrispondono ai due capi del segmento di DNA virale (rossi) e al DNA cellulare (arancione). Le due subunità di integrasi nel centro (blu chiaro) contengono i siti attivi che tagliano e uniscono il DNA, mentre le due subunità di integrasi esterne (blu scuro) hanno solo un ruolo strutturale.

Farmaci contro l'HIV
I ricercatori che stanno cercando di trovare nuovi farmaci contro l'HIV hanno individuato tre possibili bersagli: la DNA polimerasi inversa (l'enzima che sintetizza DNA a partire dall'RNA genomico del virus), la HIV proteasi (mol.d.m. giugno 2000) e la HIV integrasi. Il lavoro sulla HIV integrasi ha portato allo sviluppo di molti farmaci efficaci come il raltegravir, che è usato attualmente per trattare l'infezione da HIV. Finora, però, è stato molto difficile cristallizzare la proteina intera di HIV integrasi e i suoi complessi col DNA. Le strutture mostrate qui, infatti, sono state ottenute da un retrovirus simile, PFV, Prototype Foamy Virus, che è innocuo per l'uomo, ma produce una integrasi quasi identica a quella di HIV e quindi costituisce un ottimo modello per gli studi sulla integrazione retrovirale.

Esploriamo la Struttura
Le strutture di PFV integrasi legate al DNA hanno svelato i passaggi critici della reazione di integrazione. Le immagini mostrate qui sotto rivelano due aspetti diversi della struttura.
La seguente immagine roll-over mostra alternativamente due strutture: nella prima (con il cursore fuori dall'immagine), si vede il complesso subito dopo che l'intasoma ha catturato il DNA bersaglio (file PDB 3os1), nella seconda (con il cursore sopra l'immagine) si vede il complesso dopo la reazione di trasferimento di catena (file PDB 3os0).



Nella prima struttura, la catena di DNA virale è mostrata da un lato in viola (chiaro e scuro), dall'altro in rosso (chiaro e scuro). Il DNA della cellula è mostrato in giallo (chiaro e scuro).
Nella seconda struttura,
si vede che la catena viola (scura) virale si è unita alla catena di DNA cellulare (mostrata per chiarezza anche questa in viola per indicare la continuità di catena di DNA virale e cellulare). Questo dettaglio si vede meglio nella seguente immagine rollover delle stesse strutture, questa volta viste dal basso, dove si nota anche la continuità della catena rossa.



La prossima immagine rollover mostra un primo piano del sito attivo della HIV integrasi (file PDB 3oya) che contiene il farmaco raltegravir (al centro con sfere grigie, blu e rosse) legato ai due ioni magnesio (verdi) che dovrebbero realizzare la reazione di taglio del DNA. La struttura rivela che gli inibitori come raltegravir si legano nel sito attivo ai due atomi di magnesio (verdi) usando tre atomi di ossigeno (rossi) e quindi impediscono al filamento di DNA virale (rosa salmone) di entrare in contatto con gli atomi di magnesio.


Spunti per Ulteriori Esplorazioni
1. Potete usare lo strumento "Structure Comparison" nel sito PDB per confrontare le strutture di PFV integrasi con quelle di differenti domini di HIV integrasi.
2. Nel sito PDB sono disponibili molte strutture di PFV e HIV integrasi legate a diversi inibitori. Potete usare lo strumento "Ligand Explorer" nel sito PDB per esplorare le interazioni di questi inibitori col sito attivo della integrasi

Bibliografia

1. G. N. Maertens, S. Hare and P. Cherepanov (2010) The mechanism of retroviral integration from X-ray structures of its key intermediates. Nature 468, 326-329.

2. S. Hare, A. M. Vos, R. F. Clayton, J. W. Thuring, M. D. Cummings and P. Cherepanov (2010) Molecular mechanisms of retroviral integrase inhibition and the evolution of viral resistance. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 107, 20057-20062.

3. M. Jaskolski, J. N. Alexandratos, G. Bujacz and A. Wlodawer (2009) Piecing together the structure of retroviral integrase, an important target in AIDS therapy. FEBS Journal 276, 2926-2946.

Codici PDB Correlati con HIV integrasi
Vedi le strutture correlate