A proteína que muda de forma do HIV revela pistas para um design de medicamentos mais inteligente

A taxa de infecção pelo VIH continua a aumentar a nível mundial. Cerca de 40 milhões de pessoas vivem com o VIH-1, a estirpe mais comum do VIH. Embora os sintomas possam agora ser melhor controlados com tratamento ao longo da vida, não existe cura para eliminar completamente o vírus do corpo, pelo que os pacientes ainda lutam frequentemente com problemas de saúde relacionados, efeitos secundários, estigma social e resistência aos medicamentos.

Uma das vias de tratamento mais promissoras é interromper a replicação do VIH, prejudicando a função da integrase, uma proteína assim denominada pelo seu papel na integração do material genético viral no genoma do hospedeiro humano. No entanto, os cientistas notaram recentemente que a integrase faz mais do que apenas integração. Mais tarde no ciclo de replicação do VIH, a integrase interage com o ARN viral para ajudar o vírus a espalhar-se e a infectar novas células.

Assumir essas duas funções distintas – primeiro com o DNA, depois com o RNA – requer mudanças na estrutura da proteína da integrase. Os pesquisadores do Salk Institute capturaram recentemente essas importantes mudanças estruturais pela primeira vez, criando novos modelos 3D de integrase em ambas as funções. Agora, os cientistas podem ligar os pontos entre a forma e a função da integrase para começar a desenvolver compostos que possam prejudicar funções distintas da integrase e, por sua vez, tratar melhor as pessoas que vivem com VIH.

O novo estudo é publicado em Comunicações da Natureza hoje.

“Só agora estamos descobrindo que essas proteínas integrase que estudamos durante anos realizam funcionalidades inesperadas, como interagir com o RNA”, diz o autor sênior Dmitry Lyumkis, Ph.D., professor associado e titular da Cátedra de Desenvolvimento da Hearst Foundations em Salk. “Determinar como a integrase interage com o RNA nos ajudará a entender melhor esse novo papel e a informar o projeto de terapias novas e mais eficazes para o HIV”.

Abrindo caminho para novos medicamentos direcionados à integrase

Quando um vírus infecta uma célula, ele insere seu material genético (DNA ou RNA) no genoma do hospedeiro e sequestra a maquinaria da célula para produzir mais vírus. Os vírus de RNA tradicionais devem trazer suas próprias ferramentas de replicação de RNA porque as células são projetadas apenas para replicar o DNA.

No entanto, o VIH é um retrovírus, o que significa que pode fazer engenharia reversa do ADN a partir do ARN. Depois de infectar uma célula, o vírus usa esse RNA para criar DNA viral complementar, que então insere no genoma da própria célula. A partir daí, a célula torna-se uma fábrica de VIH – produzindo novo ARN viral que é empacotado e enviado para infectar mais células.

A Integrase realiza o processo de inserção de DNA, que é uma marca registrada do ciclo de replicação viral, tornando a proteína um alvo óbvio para medicamentos para o HIV-1, como o Dolutegravir. No entanto, o VIH-1 evolui rapidamente e é propenso a desenvolver resistência aos medicamentos. Em 2023, Lyumkis descobriu como a integrase adapta sua estrutura para escapar do Dolutegravir.

Estudar os mecanismos de resistência aos medicamentos é uma forma de lidar com a rápida evolução do VIH-1. Outra forma é desenvolver novos medicamentos que visem novos processos. Em vez de visar a integrase durante a inserção do ADN, os futuros medicamentos poderiam visar a integrase durante a sua segunda função recentemente descoberta: interagir com o ARN viral recentemente produzido à medida que é empacotado em vírus nascentes que deixaram a célula.

Duas estruturas distintas revelam a surpreendente flexibilidade da integrase

“Sabe-se muito pouco sobre o que a integrase está a fazer nas fases posteriores da replicação do VIH”, diz o co-autor Tao Jing, Ph.D., investigador de pós-doutoramento no laboratório de Lyumkis. “A nossa utilização da microscopia crioelectrónica para descobrir a arquitectura da integrase durante este período misterioso é um passo significativo para a investigação do VIH.”

A microscopia crioeletrônica permite aos pesquisadores ver a estrutura 3D de uma proteína conforme ela ocorre na natureza. Assim como a arquitetura de um edifício informa a sua função (pense no layout de um cinema versus o de um restaurante), a arquitetura de uma proteína também informa a sua função. Com um projeto estrutural de uma proteína em mãos, os cientistas podem começar a imaginar como ela funciona e a visualizar compostos que se encaixariam em sua estrutura para melhorá-la ou inibi-la.

Os pesquisadores usaram microscopia crioeletrônica para coletar duas estruturas distintas de integrase: 1) a forma que integra o DNA viral no genoma da célula hospedeira e 2) a forma que provavelmente interage com o RNA viral recém-produzido posteriormente no processo de replicação do HIV.

Primeiro, eles determinaram a arquitetura da integrase à medida que ela forma o “intassoma” – um conjunto especial de proteínas e DNA viral. Nesta forma intassoma, a integrase é composta por quatro complexos idênticos de quatro partes que se conectam para criar um complexo de 16 partes. Esta enorme estrutura envolve o ADN viral, mantendo-o no lugar para facilitar a sua integração com o genoma do hospedeiro.

Em segundo lugar, eles determinaram a arquitetura proteica mais misteriosa da integrase à medida que ela interage com o RNA. Neste ponto, a proteína abandona o complexo gigante de dezesseis partes em favor de um complexo menor e mais simples de quatro partes. Com base nesta estrutura de quatro partes, a equipa tem uma ideia de como a integrase pode interagir com o ARN e estão a planear estudos de acompanhamento para confirmar as suas suspeitas.

A integrase é uma proteína altamente adaptável, capaz de se formar num complexo de 16 partes e depois se decompor num complexo de quatro partes. Lyumkis diz que esta flexibilidade é surpreendente e, embora algumas das mudanças estruturais sejam subtis, podem fazer diferenças substanciais no processo de desenvolvimento de medicamentos.

“Criámos os primeiros modelos para a estrutura da integrase durante estes passos cruciais na replicação do VIH”, diz o co-autor Zelin Shan, Ph.D., investigador de pós-doutoramento no laboratório de Lyumkis. “Agora podemos usar esses planos para conceber novos medicamentos que se adaptem a esta estrutura e interrompam o processo destrutivo de invasão e replicação do VIH-1.”