Die wichtigsten Ergebnisse
♦ Lenacapavir ist ein neuartiges, langwirksames Anti-HIV-Medikament mit äußerst starker antiviraler Wirkung.
♦ Als Wirkprinzip war bekannt, dass es die Infektion durch Viren blockiert, die in Zielzellen eindringen. Zur Erklärung der starken antiviralen Wirkung wurde zudem ein zweiter Wirkmechanismus vermutet, dessen Natur jedoch unbekannt war.
♦ Diese Studie hat gezeigt, dass Lenacapavir Störungen bei der Bildung von HIV-Partikeln verursacht und dass dies der zweite antivirale Wirkmechanismus ist.
♦ Analysen mittels Partikelgrößenmessung und Elektronenmikroskopie ergaben, dass Lenacapavir die Viruspartikel auf eine abnorme Größe anwachsen lässt und dadurch die Infektiosität des Virus verringert.
Zusammenfassung
Lenacapavir (im Folgenden LEN) ist ein neuartiges, langwirksames Therapeutikum, das die Vermehrung von HIV-1, dem Erreger von AIDS (erworbenes Immunschwächesyndrom), stark unterdrückt. Es richtet sich gegen das Kapsidprotein*1, das das Gerüst des Viruspartikels bildet. LEN hemmt die Produktion von Nachkommenviren stark, indem es die Abfolge von Schritten vom Eindringen des Virus in die Zielzelle bis zur Integration der viralen Gene in das Genom der Zielzelle (frühe Phase der Replikation) blockiert. Die starke antivirale Wirkung von LEN ließ sich jedoch allein durch diese Hemmung der frühen Phase nicht erklären. Daher wurde ein zweiter Wirkmechanismus vermutet, dessen Natur jedoch unbekannt blieb. Eine Forschungsgruppe um Dr. Kazuaki Monde, Senior Lecturer an der Faculty of Life Sciences der Kumamoto University, und Dr. Yasumasa Iwatani, Professor an der Hamamatsu University School of Medicine, hat nun mithilfe von Analysen unter umfassendem Einsatz von Partikelgrößenmessung und Elektronenmikroskopie erstmals gezeigt, dass LEN während der Bildung von Viruspartikeln an das Kapsid-Vorläuferprotein*2 bindet und die Bildung riesiger virusähnlicher Partikel fördert. Die Gruppe stellte fest, dass diese durch LEN vergrößerten abnormen Partikel zwar in Zielzellen eindringen, jedoch funktionsunfähig sind und ihre Infektiosität verloren haben. Diese Ergebnisse vertiefen nicht nur das Verständnis des Wirkmechanismus von LEN mit seinem neuartigen Wirkprinzip, sondern dürften auch Ansatzpunkte liefern, um durch Anwendung dieses Prinzips noch wirksamere antivirale Medikamente der nächsten Generation zu entwickeln.
Hintergrund und Zielsetzung
Das humane Immundefizienz-Virus Typ 1 (HIV-1, human immunodeficiency virus type 1), der Erreger von AIDS, besitzt im Inneren des Viruspartikels einen kegelförmigen Kapsidkern (Core; eine käfigartige Struktur, die die viralen Gene umschließt), der für die Infektion von Zielzellen unerlässlich ist. Der Kapsidkern besteht aus etwa 200 Molekülen des viralen Kapsidproteins (CA). Lenacapavir (im Folgenden LEN), ein neues HIV-1-Medikament, das kürzlich von dem US-Unternehmen Gilead Sciences, Inc. entwickelt wurde, ist ein langwirksames Therapeutikum mit äußerst hoher antiviraler Aktivität, das gegen dieses CA gerichtet ist (siehe Referenzabbildung). Bislang war als Wirkprinzip von LEN bekannt, dass es die Produktion von Nachkommenviren stark hemmt, indem es die Abfolge von Schritten vom Eindringen des Virus in die Zielzelle bis zur Integration der viralen Gene in das chromosomale Genom der Zelle (sogenannte frühe Phase der Replikation) blockiert. Man geht also davon aus, dass es entweder den Transport des Viruspartikels in den Zellkern oder die Freisetzung der viralen Gene aus dem Kapsidkern hemmt – beides Schritte, die für das Zustandekommen einer Infektion unerlässlich sind. Die starke antivirale Wirkung von LEN ließ sich jedoch allein durch diese Hemmung der frühen Phase nicht vollständig erklären; ein zweiter Wirkmechanismus wurde vermutet, dessen Natur aber unbekannt blieb. Um Wirkstoffe zu entwickeln, die LEN übertreffen, muss dieser zweite Wirkmechanismus aufgeklärt werden. Ziel dieser Studie war es daher, die Natur eines zweiten, von der frühen Phase verschiedenen Mechanismus aufzuklären.
Forschungsinhalte
In dieser Studie wurden die Auswirkungen von LEN auf die späte Phase der HIV-1-Replikation mit verschiedenen Methoden analysiert. Dabei zeigte sich, dass die Hemmwirkung von LEN je nach Methode der Virusmengenbestimmung stark unterschiedlich ausfiel. Durch die LEN-Behandlung nimmt die Löslichkeit des aus dem Kapsid-Vorläuferprotein (im Folgenden Gag) stammenden CA ab, weshalb der CA-ELISA (enzymgekoppelter Immunadsorptionstest) die hemmende Wirkung von LEN auf die Virusfreisetzung überschätzt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass in Gegenwart von LEN die Prozessierung (Reifung) des intrazellulären Gag durch die virale Protease*3 übermäßig beschleunigt wird, was zu einer gestörten Bildung und Freisetzung normaler Viruspartikel führt.
Außerdem zeigte sich, dass die LEN-Behandlung zahlreiche abnorme Gag-Cluster an der Zellmembran entstehen lässt. Untersuchungen, die die Partikelgrößenmessung mittels Massenphotometrie (mass photometry)*4 (siehe Referenzabbildung A: Partikelgrößenanalyse) mit der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)*5 (siehe Referenzabbildung B: elektronenmikroskopische Analyse) kombinierten, ergaben, dass durch die LEN-Behandlung heterogene, riesige virusähnliche Partikel mit einem Durchmesser von über 200 nm (LEN-induced virus-like particles, im Folgenden LENiVLPs) gebildet werden. Diese LENiVLPs enthielten Gag sowie Hüllglykoproteine (Proteine, die die Virusoberfläche bedecken). Es handelt sich also nicht um bloße Gag-Aggregate, sondern um Strukturen, die aus dem Prozess der Viruspartikelbildung hervorgehen.
Weiterhin wurde gezeigt, dass LENiVLPs zwar ihre Fähigkeit zur Fusion mit der Zellmembran behalten, jedoch nicht infektiös sind. Dies liegt daran, dass LENiVLPs zwar weiterhin in Zielzellen eindringen können, die auf den Eintritt folgenden Schritte der Virusreplikation jedoch gestört sind. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass LEN nicht nur auf reifes CA, sondern auch auf das Kapsid-Vorläuferprotein Gag während der Partikelbildung wirkt, eine abnorme Reifung von Gag sowie eine abnorme Partikelbildung auslöst und letztlich die Bildung riesiger, nicht infektiöser LENiVLPs bewirkt. Diese Studie zeigt als zweiten Wirkmechanismus von LEN ein neues Wirkprinzip in der späten Replikationsphase auf und liefert neue Erkenntnisse über den Wirkmechanismus von Anti-HIV-Medikamenten, die gegen CA gerichtet sind.
Ausblick
Es zeigte sich, dass LEN die Viruspartikel riesig werden lässt und sie als Viren funktionsunfähig macht. Zwar ist nun bekannt, dass bei der Partikelbildung Störungen in der Zusammenlagerung des Vorläuferproteins auftreten, der genauere Mechanismus ist jedoch noch nicht geklärt. So sind beispielsweise die Unterschiede im Bindungsmodus (Pharmakophor*6) von LEN an die Wirkstoff-Zieltasche, die zu den beiden Wirkmechanismen führen, noch nicht aufgeklärt; hierfür sind strukturbiologische Analysen erforderlich. Künftig soll für beide Wirkmechanismen der Pharmakophor mit höherer Genauigkeit bestimmt werden. Dies dürfte die Entwicklung von Verbindungen voranbringen, die die jeweilige Hemmwirkung weiter verstärken, und die Verbesserung und Entwicklung wirksamerer Therapeutika beschleunigen, bei denen Arzneimittelresistenzen weniger leicht auftreten.
Glossar
*1 Kapsid (CA)
Protein, aus dem die Proteinhülle (Kapsidkern) im Inneren des HIV-1-Viruspartikels aufgebaut ist (siehe Referenzabbildung). Es schützt die genetische Information des Virus und spielt eine wichtige Rolle bei der Vermehrung des Virus in der infizierten Zielzelle. LEN wirkt, indem es an dieses Kapsid bindet.
*2 Kapsid-Vorläuferprotein (Gag)
Vorläuferprotein, aus dem die für die Formgebung des HIV-1-Partikels erforderlichen Proteine hervorgehen. Bei der Bildung von Viruspartikeln sammelt es sich an der Zellmembran und bildet die Grundstruktur des Partikels. Anschließend wird es von der viralen Protease schrittweise gespalten, wodurch reife Viruspartikel entstehen.
*3 Virale Protease
Vom Virus stammendes Enzym, das HIV-1-Proteine an den richtigen Stellen spaltet und für die Bildung infektiöser, reifer Viruspartikel erforderlich ist.
*4 Massenphotometrie (mass photometry)
Verfahren zur Größenmessung ultrafeiner Partikel. Es misst Größe und Masse von Partikeln wie Viruspartikeln in Lösung einzeln anhand der Lichtstreuung. In dieser Studie wurde das bislang in anderen Fachgebieten eingesetzte Verfahren für den Nachweis und die Analyse riesiger virusähnlicher Partikel angewendet.
*5 Transmissionselektronenmikroskop (TEM)
Gerät, das mithilfe eines Elektronenstrahls sehr kleine Strukturen wie Viruspartikel mit hoher Auflösung sichtbar macht. Es ermöglicht die Analyse von Feinstrukturen, die mit herkömmlichen Lichtmikroskopen nicht untersucht werden können.
*6 Pharmakophor
Konzept, das die molekularen Merkmale und deren Anordnung beschreibt, die ein Wirkstoff benötigt, um an sein Zielprotein zu binden und zu wirken – also die räumlichen Merkmale des Wirkstoffs bei der Bindung. Eine Präzisierung des Pharmakophors erhöht die Genauigkeit beim Design und bei der Optimierung hemmender Verbindungen. Diese Studie zielt darauf ab, durch die Aufklärung der Unterschiede im Bindungsmodus von LEN bei seiner Wirkung in verschiedenen Phasen der HIV-1-Replikation zu einer effektiveren Wirkstoffentwicklung beizutragen.
Fachzeitschrift
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)
DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2609634123
Titel der Publikation
Lenacapavir binding to immature Gag induces giant virions and causes protease-dependent inhibition of viral release
Autoren
Wright Andrews Ofotsu Amesimeku, Yoshihiro Nakata, Nami Monde, Hiromi Terasawa, Hirotaka Ode, Hiroyuki Sasaki, Consolata Elias Rukondo, Takeshi Matsui, Perpetual Nyame, Md. Jakir Hossain, Akatsuki Saito, Tomohiro Sawa, Terumasa Ikeda, Yosuke Maeda, Yasumasa Iwatani, Kazuaki Monde
Forschungsgruppe
Diese Forschung wurde als Gemeinschaftsprojekt folgender Einrichtungen durchgeführt: Department of Microbiology, Faculty of Life Sciences, Kumamoto University; Department of Microbiology and Immunology, Hamamatsu University School of Medicine; Laboratory for Viral Infection Control, Frontier Science Research Center, University of Miyazaki; Department of Infectious Diseases and Immunology, Clinical Research Center, National Hospital Organization Nagoya Medical Center; Laboratory for Evolutionary Cell Biology of the Skin, Cosmetics Course, School of Bioscience and Biotechnology, Tokyo University of Technology; Joint Research Center for Human Retrovirus Infection, Kumamoto University.
Förderung
Diese Forschung wurde unter anderem durch das Research Program on HIV/AIDS der Japan Agency for Medical Research and Development (AMED) gefördert (25fk0410058h9903 und 26fk0410080h0001: Projektleitung Iwatani, Mitwirkung Monde; 19fk0410026h0001 und 24fk0410065h0001: Projektleitung Monde).
Kontakt für Anfragen zur Forschung
Kazuaki Monde, Senior Lecturer
Department of Microbiology, Faculty of Life Sciences, Kumamoto University (National University Corporation)
1-1-1 Honjo, Chuo-ku, Kumamoto 860-8556, Japan
Tel.: +81-96-373-5129 / E-Mail: monde@kumamoto-u.ac.jp
Kontakt für Presseanfragen
Kumamoto University (National University Corporation)
Public Relations Strategy Office, General Affairs Division, General Affairs Department
Tel.: +81-96-342-3269
E-Mail: sos-koho@jimu.kumamoto-u.ac.jp
