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20 Mayo 2019

Contra el VIH:

Conformaciones proteicas y su rol en el diseño de vacunas

La glucoproteína de superficie Env es un trímero de la envoltura del VIH-1 que media la entrada a la célula y es conformacionalmente dinámica. Se ha revelado que, en la superficie de viriones intactos, la proteína Env madura de pre-fusión pasa de una conformación "pre-disparada" (estado 1) a través de una conformación intermedia predeterminada (estado 2) a una conformación en la que está ligada a tres moléculas de receptor CD4 (estado 3). Actualmente no está claro cómo se relacionan estos estados con las estructuras conocidas. Aunque se ha supuesto que estas estructuras representan al estado de activación previa de Env, esta hipótesis nunca se ha probado directamente. En una reciente investigación se compararon los estados de conformación de los trímeros de Env usados para estudios estructurales con Env nativa en virus intactos. Se observó que las construcciones sobre las que se basan las estructuras de alta resolución existentes ocupan predominantemente las conformaciones río abajo aguas que representan los estados 2 y 3. Por lo tanto, se desconoce la estructura de la conformación del estado 1 de la envolvente viral que ha sido identificada recientemente y que es blanco preferente de muchos anticuerpos ampliamente neutralizantes y, por lo tanto, de interés para el diseño de los inmunógenos para nuevas vacunas.


Proteína Env

El primer paso de la infección de las células anfitrionas del VIH-1 es la unión de la glicoproteína de la envoltura (Env), que se expresa en la superficie del virus, a los receptores celulares. Env es un conjunto metaestable de tres complejos heterodiméricos que forman un trímero. En su reciente estudio Maolin Lu y colaboradores presentan datos que invitan a la reflexión y que relanzan la búsqueda de los estados conformacionales nativos del trímero Env (DOI: 10.1038/s41586-019-1101-y).

Antes de unirse a los receptores celulares, Env se encuentra en un estado de conformación cerrado (también conocido como nativo). Esta conformación enmascara ciertos dominios que son esenciales para que el virus entre en las células, pero que de otra manera serían el blanco de los anticuerpos neutralizantes específicos de Env generados por el sistema inmunológico del hospedador en respuesta a la infección por el VIH-1. La interacción con los receptores celulares - primero CD4, luego un co-receptor - desencadena cambios conformacionales que abren el trímero Env y allanan el camino para la fusión de las membranas virales y celulares (figura 1). Definir las diversas estructuras de Env es clave para comprender la respuesta de los anticuerpos neutralizantes y para desarrollar vacunas basadas en proteínas virales inmunogénicas que estimulan la producción de anticuerpos protectores.

A pesar de estar protegido de los ataques de la mayoría de los anticuerpos neutralizantes, el trímero nativo es blanco de los anticuerpos ampliamente neutralizantes (bnAbs, por sus siglas en inglés). Estos anticuerpos tienen una amplitud de neutralización excepcional; es decir, son activos contra un amplio espectro de subtipos y variantes del VIH-1 que emergen cuando el gen que codifica Env muta. Estos anticuerpos han sido investigados en el contexto del desarrollo de la vacuna contra el VIH, pero hasta ahora ninguna vacuna ha sido capaz de promover una respuesta de bnAb en animales o humanos. Se ha iniciado la búsqueda de inmunógenos derivados de Env que puedan desencadenar con éxito la actividad de bnAb. Resolver la estructura del trímero Env nativo es clave, porque es la entidad que está presente antes de que el virus se una a las células y entre en ellas. Este también podría ser el inmunógeno que desencadena la producción de bnAb en personas infectadas con el VIH-1.

La flexibilidad inherente del trímero Env, que hace la transición entre conformaciones incluso cuando no está ligado a un receptor celular, limita las opciones de análisis estructural, ya que los procesos dinámicos y los estados metaestables no pueden ser capturados por la cristalización y la microscopía crioelectrónica. Nuestro conocimiento, por lo tanto, se basa en datos obtenidos de análisis de proteínas Env que han sido estabilizadas artificialmente, tales como proteínas Env mutantes o complejos entre Env y anticuerpos. Dos conformaciones distintas del trímero- una cerrada y otra abierta y unida al receptor CD4 - han sido definidas por análisis estructurales.

Las estructuras conocidas como trímeros SOSIP comprenden un tipo de trímero de Env estabilizado por ingeniería que ha sido investigado para la inmunización y estudios estructurales. La capacidad de los anticuerpos para unirse a los trímeros SOSIP se correlaciona con el alcance de su amplitud de neutralización. Esto indica que estos trímeros representan una conformación nativa, relevante para la neutralización de la proteína Env, lo que los convierte en candidatos inmunológicos prometedores para las vacunas.

 

Figura 1. Estados de conformación de la glicoproteína de envoltura (Env) del VIH-1. 

Env es una glicoproteína trimérica que tiene una conformación cerrada antes de que el virus se adhiera a las células que infecta. Al unirse a los receptores CD4 de las células anfitrionas, Env se encuentra en un estado conformacional abierto, cuya estructura se conoce (mostrado como estado 3). Estudios previos también han definido la estructura de un estado cerrado y los esfuerzos para desarrollar vacunas contra el VIH-1 se han dirigido a este estado. Sin embargo, usando imágenes de transferencia de energía de resonancia de fluorescencia de molécula simple (smFRET), Lu y sus colaboradores muestran que el estado conformacional cerrado definido por el análisis estructural es un estado intermedio, parcialmente abierto (mostrado como estado 2), y que la información estructural sobre el estado más cerrado (mostrado como estado 1) todavía está ausente. Los anticuerpos ampliamente neutralizantes (bnAbs, que neutralizan varios subtipos y variantes de un virus) que fueron aislados de personas con VIH-1 se dirigen preferentemente al estado 1 de Env. Esto sugiere que este estado de conformación podría inducir la producción de bnAbs y es relevante para el desarrollo de vacunas.

Una técnica llamada imagenología de transferencia de energía por resonancia de fluorescencia de molécula única (smFRET) proporciona información sobre la proximidad de regiones de proteínas específicamente marcadas, que cambia con el estado conformacional de la proteína. Esta técnica no permite la visualización de la estructura general de la proteína Env, pero rastrea la apertura y cierre del trímero. Pueden distinguirse tres estados de Env antes de la fusión del virus con las células hospederas: el estado 1, un estado no ligado que muestra el mayor grado de cercanía; el estado 2, un estado ligeramente más abierto e intermedio; y el estado 3, un estado abierto y ligado a CD46 (figura 1). Lu y sus colegas usaron smFRET en variantes de Env estabilizadas investigadas en análisis estructurales para entender cuál de los estados de smFRET coincide con los modelos establecidos de la estructura del trímero. También analizaron el tipo silvestre de Env que se expresa en las partículas virales.

A través de una serie de mediciones técnicamente desafiantes, los autores muestran que los trímeros de Env estabilizados adoptan predominantemente la conformación del estado intermedio 2, y no el estado supuestamente más cerrado 1 adoptado por Env silvestre. Cuatro bnAbs aislados de vacas vacunadas con un inmunógeno SOSIP Env del estado 2 también se centraron en la conformación del estado 2 de Env. Este hallazgo sugiere que los anticuerpos inducidos por la vacunación podrían reconocer preferentemente el estado conformacional de cualquier inmunógeno Env que se utilice en la vacuna. Por el contrario, y sorprendentemente, la mayoría de los bnAbs del VIH-1 aislados de personas infectadas por el VIH-1 que fueron evaluados en este estudio se dirigieron a la conformación del estado 1.

Dado que los inmunógenos de Env actualmente bajo investigación para el desarrollo de vacunas se encuentran en un estado de conformación 2, estas observaciones llaman a los científicos a la acción. ¿Cuál de las conformaciones de Env, estado 1 o estado 2, es el mejor objetivo para neutralizar el virus? ¿Qué estado desencadena las respuestas de bnAb en una infección natural? ¿Y qué estado proporciona el mejor inmunógeno para la vacunación? La definición de la estructura del elusivo estado 1 y sus propiedades funcionales es esencial para responder a estas preguntas. Además, los investigadores necesitan identificar inhibidores específicos para los distintos estados de Env, porque indicarán qué conformaciones son objetivos relevantes para la neutralización.

A pesar de lo intrigantes que son las observaciones de Lu y sus colegas, queda mucho por hacer para entender las implicaciones completamente. Una conformación que predomina en partículas de virus nativos puede no ser un buen inmunógeno, a pesar de su relevancia fisiológica, si no se puede diseñar para que sea estable. Además, cualquier diferencia entre los estados 1 y 2 podría ser demasiado pequeña para inducir diferentes respuestas bnAb. Sólo una comparación cara a cara de las vacunas que utilizan inmunógenos basados en ambas conformaciones de Env abordará este punto. Aunque los inmunógenos del estado 1 no están disponibles, los próximos ensayos de vacunas con inmunógenos del estado 2 aportarán datos relevantes a este debate.

Fuente bibliográfica

Conformation of the native HIV-1 envelope protein raises questions for vaccine design

Alexandra Trkola

Institute of Medical Virology, University of Zurich, Zurich CH-8057, Switzerland.

DOI: 10.1038/d41586-019-01085-x

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