Přeskočit na obsah

HIV-1 proteáza

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
HIV-1 proteáza. Struktura HIV-1 proteazy určená pomocí rentgenové krystalografie (PDB: 1GNO).

HIV-1 proteáza (HIV-1 PR) je retrovirální aspartátová proteáza (retropepsin), enzym, který se podílí na hydrolýze peptidových vazeb v retrovirech a který je nezbytný pro životní cyklus HIV, retroviru způsobujícího AIDS.[1][2] HIV-1 PR štěpí nově syntetizované polyproteiny (konkrétně Gag a Gag-Pol[3]) na devíti štěpných místech a vytváří zralé proteinové složky virionu HIV, infekční formy viru mimo hostitelskou buňku.[4] Bez účinné proteázy HIV zůstávají viriony HIV neinfekční.[5][6]

Struktura

[editovat | editovat zdroj]

Zralá HIV-1 PR existuje jako homodimer o velikosti 22 kDa, přičemž každá podjednotka se skládá z 99 aminokyselin. Mezi identickými podjednotkami se nachází jediné aktivní místo s charakteristickou sekvencí katalytické triády Asp-Thr-Gly (Asp25, Thr26 a Gly27), která je společná všem aspartátovým proteázám.[7] Protože HIV-1 PR může fungovat pouze jako dimer, obsahuje zralá proteáza dvě aminokyseliny Asp25, jednu z každého monomeru, které působí ve vzájemné kombinaci jako katalytické zbytky.[8] Proteáza HIV má navíc dvě molekulární "chlopně", které se při spojení enzymu se substrátem posunou až o 7 Å. To lze znázornit pomocí animací otevírání a zavírání chlopní.[9]

Biosyntéza a funkce

[editovat | editovat zdroj]
Genom viru HIV-1. Výsledný polyprotein (Gag-Pol) je rozštěpen účinkem oroteáza viru HIV-1 ("prot"), což vede k uvolnění jednotlivých plně funkčních proteinů a k dozrání virové častice HIV-1.

Když se virová RNA dostane do buňky, je doprovázena reverzní transkriptázou, integrázou a zralou HIV-1 PR. Reverzní transkriptáza přeměňuje virovou RNA na DNA, což usnadňuje úlohu integrázy při začleňování virové genetické informace do DNA hostitelské buňky. Virová DNA může buď zůstat neaktivní v jádře, nebo může být přepsána do mRNA a hostitelskou buňkou přeložena do polyproteinu Gag-Pol, který kóduje nezbytné virové proteiny, včetně HIV-1 PR.[8] Proteáza se nachází mezi reverzní transkriptázou (která je na C-konci proteázy) a p6pol (který je na N-konci proteázy).[10] Aby se z tohoto prekurzoru stal funkční protein, musí se každý monomer spojit s jiným monomerem HIV-1 PR a vytvořit funkční katalytické aktivní místo tím, že každý přispěje Asp25 své katalytické triády.[8]

Dozrávání virionu HIV-1. Nezralá a neinfekční virová částice HIV (nahoře) vs. zralá a infekční částice HIV (dole). Účinkem HIV-1 PR dojde k rozštěpení polyproteinu Gag-Pol a dozrání virové částice.

HIV-1 PR má dvě funkce: Nejprve prekurzor HIV-1 PR katalyzuje svou vlastní produkci tím, že usnadňuje své štěpení z polyproteinu Gag-Pol mechanismem známým jako "autoprocessing".[11] Autoprocessing HIV-1 PR je charakterizován dvěma po sobě jdoucími kroky: (1) intramolekulární štěpení N-konce v místě štěpení p6pol-proteázy, které slouží k dokončení zpracování PR a zvýšení enzymatické aktivity nově vytvořeného meziproduktu PR-reverzní transkriptázy, a (2) intermolekulární štěpení C-konce v místě štěpení proteázy-reverzní transkriptázy, které vede k sestavení dvou podjednotek PR do zralých dimerů.[12][13] Dimerizace obou podjednotek umožňuje vznik plně funkčního, kombinovaného aktivního místa, charakterizovaného dvěma katalytickými zbytky Asp25 (jeden z každého monomeru).[14] Následně pak zralá proteáza je schopna štěpit peptidové vazby na polyproteinu Gag-Pol na devíti specifických místech a zpracovávat výsledné podjednotky na jednotlivé zralé (plně funkční) proteiny. Tyto rozštěpené proteiny, včetně reverzní transkriptázy, integrázy, RNázyH a nově syntetizované HIV-1 PR,[8] jsou kódovány složkami kódující oblasti nezbytnými pro virovou replikaci.

Mechanismus účinku

[editovat | editovat zdroj]
Katalytický mechanismus obecné aspartylové proteázy obsahující dva charakteristické zbytky Asp25 v deprotonované a protonované formě. "Aspartyl proteae mechanism.png"

Jako aspartátová proteáza funguje dimerizovaná HIV-1 PR prostřednictvím komplexu aspartátových skupin, aby mohla provádět hydrolýzu. Ze dvou zbytků Asp25 na kombinovaném katalytickém aktivním místě HIV-1 PR je jeden deprotonovaný, zatímco druhý je protonovaný, a to v důsledku rozdílů pKa od mikroprostředí.[15]

V okamžiku, kdy je substrát správně navázán do aktivního místa enzymu, deprotonovaná katalytická aminokyselina Asp25 podléhá bazické katalýze, čímž se přicházející molekula vody stává lepším nukleofilem tím, že ji deprotonuje. Vzniklý hydroxylový ion napadá karbonylový uhlík peptidové vazby a vytváří meziprodukt s přechodným oxyaniontem, který je stabilizován původně protonovaným Asp25. Oxyanion znovu vytvoří dvojnou vazbu, což vede ke štěpení peptidové vazby mezi oběma aminokyselinami, zatímco původně deprotonovaný Asp25 projde kyselou katalýzou, aby předal svůj proton aminoskupině, čímž se aminoskupina stane lepší odstupovou skupinou pro úplné štěpení peptidové vazby a vrátí se do původního deprotonovaného stavu.[16] Tento mechanismus odpovídá obecnému mechanismu účinku všech aspartátových proteáz.

Zatímco HIV-1 PR sdílí mnoho stejných charakteristik jako nevirová aspartátová proteáza, některé důkazy ukázaly, že HIV-1 PR katalyzuje hydrolýzu koordinovaným způsobem; jinými slovy, nukleofilní molekula vody a protonovaný Asp25 současně atakují štěpitelnou peptidovou vazbu během katalýzy.[16][17]

HIV proteáza jako terapeutický cíl zásahu

[editovat | editovat zdroj]

Farmakoterapie

[editovat | editovat zdroj]

Proteáza viru HIV, která hraje nedílnou roli při replikaci viru HIV, je jedním z hlavních cílů farmakoterapie. Inhibitory proteázy HIV fungují tak, že se specificky vážou do aktivního místa tak, že napodobují tetraedrický meziprodukt svého substrátu a v podstatě se "zaseknou", čímž enzym vyřadí z činnosti. Virové částice bez aktivní proteázy nemohou po sestavení a pučení dozrát v infekční viriony. Pro léčbu HIV bylo licencováno několik inhibitorů proteázy.[18]

V současné době je Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) schváleno deset inhibitorů HIV-1 PR: indinavir, saquinavir, ritonavir, nelfinavir, lopinavir, amprenavir, fosamprenevir, atazanavir, tipranavir a darunavir. Mnohé z inhibitorů mají různé molekulární struktury, a tím i různé mechanistické účinky, například blokování aktivního místa. Jejich funkční role se také rozšiřuje na ovlivňování koncentrací jiných inhibitorů v oběhu (ritonavir) a na použití pouze za určitých okolností, kdy virus vykazuje toleranci k jiným inhibitorům (tipranavir).[19]

Evoluce a rezistence

[editovat | editovat zdroj]

Vzhledem k vysoké míře mutací retrovirů, zejména v oblastech citlivých na mutace (a zejména v oblasti obsahující sekvenci katalytické triády), a vzhledem k tomu, že změny několika málo aminokyselin v HIV-1 PR mohou způsobit, že je mnohem méně "citlivá" vůči inhibitorům, může se aktivní místo tohoto enzymu pod selekčním tlakem léčiv inhibujících replikaci rychle měnit.[20][21]

Se zvyšující se rezistencí k lékům jsou obecně spojeny dva typy mutací: Dva typy mutací jsou spojeny s odolností vůči rezistenci vůči léčivům: "hlavní" mutace a "sekundární" mutace. Hlavní mutace zahrnují mutaci v aktivním místě PR viru HIV-1, která brání selektivním inhibitorům v jeho vazbě. Sekundární mutace se týkají molekulárních změn na periferii enzymu v důsledku dlouhodobého působení podobných chemických látek, které potenciálně ovlivňují specifitu inhibitorů pro HIV-1 PR.

Jedním z přístupů, jak minimalizovat vznik rezistence vůči lékům HIV, je podávání kombinace léků, které inhibují několik klíčových aspektů replikačního cyklu HIV současně, a nikoli jednoho léku najednou. Mezi další cíle farmakoterapie patří reverzní transkriptáza, fúze virionu s membránou, integrace cDNA a sestavení virionu.[22][23]

Související

[editovat | editovat zdroj]

Reference

[editovat | editovat zdroj]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku HIV-1 protease na anglické Wikipedii.

  1. ↑ Davies DR. The structure and function of the aspartic proteinases. Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry. 1990, s. 189–215. Dostupné online. DOI 10.1146/annurev.bb.19.060190.001201. PMID 2194475. 
  2. ↑ Brik A, Wong CH. HIV-1 protease: mechanism and drug discovery. Organic & Biomolecular Chemistry. January 2003, s. 5–14. DOI 10.1039/b208248a. PMID 12929379. 
  3. ↑ Huang X, Britto MD, Kear-Scott JL, Boone CD, Rocca JR, Simmerling C, Mckenna R, Bieri M, Gooley PR, Dunn BM, Fanucci GE. The role of select subtype polymorphisms on HIV-1 protease conformational sampling and dynamics. The Journal of Biological Chemistry. June 2014, s. 17203–14. DOI 10.1074/jbc.M114.571836. PMID 24742668. 
  4. ↑ Lv Z, Chu Y, Wang Y. HIV protease inhibitors: a review of molecular selectivity and toxicity. HIV/AIDS: Research and Palliative Care. April 2015, s. 95–104. DOI 10.2147/hiv.s79956. PMID 25897264. (anglicky) 
  5. ↑ Kräusslich HG, Ingraham RH, Skoog MT, Wimmer E, Pallai PV, Carter CA. Activity of purified biosynthetic proteinase of human immunodeficiency virus on natural substrates and synthetic peptides. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. February 1989, s. 807–11. DOI 10.1073/pnas.86.3.807. PMID 2644644. Bibcode 1989PNAS...86..807K. 
  6. ↑ Kohl NE, Emini EA, Schleif WA, Davis LJ, Heimbach JC, Dixon RA, Scolnick EM, Sigal IS. Active human immunodeficiency virus protease is required for viral infectivity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. July 1988, s. 4686–90. DOI 10.1073/pnas.85.13.4686. PMID 3290901. Bibcode 1988PNAS...85.4686K. 
  7. ↑ Chatterjee A, Mridula P, Mishra RK, Mittal R, Hosur RV. Folding regulates autoprocessing of HIV-1 protease precursor. The Journal of Biological Chemistry. March 2005, s. 11369–78. DOI 10.1074/jbc.M412603200. PMID 15632156. 
  8. ↑ a b c d Pettit SC, Everitt LE, Choudhury S, Dunn BM, Kaplan AH. Initial cleavage of the human immunodeficiency virus type 1 GagPol precursor by its activated protease occurs by an intramolecular mechanism. Journal of Virology. August 2004, s. 8477–85. DOI 10.1128/JVI.78.16.8477-8485.2004. PMID 15280456. 
  9. ↑ Miller M, Schneider J, Sathyanarayana BK, Toth MV, Marshall GR, Clawson L, Selk L, Kent SB, Wlodawer A. Structure of complex of synthetic HIV-1 protease with a substrate-based inhibitor at 2.3 A resolution. Science. December 1989, s. 1149–52. DOI 10.1126/science.2686029. PMID 2686029. 
  10. ↑ Louis JM, Clore GM, Gronenborn AM. Autoprocessing of HIV-1 protease is tightly coupled to protein folding. Nature Structural Biology. September 1999, s. 868–75. DOI 10.1038/12327. PMID 10467100. S2CID 6375519. (En) 
  11. ↑ Huang L, Chen C. Understanding HIV-1 protease autoprocessing for novel therapeutic development. Future Medicinal Chemistry. July 2013, s. 1215–29. DOI 10.4155/fmc.13.89. PMID 23859204. 
  12. ↑ Louis JM, Nashed NT, Parris KD, Kimmel AR, Jerina DM. Kinetics and mechanism of autoprocessing of human immunodeficiency virus type 1 protease from an analog of the Gag-Pol polyprotein. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. August 1994, s. 7970–4. DOI 10.1073/pnas.91.17.7970. PMID 8058744. Bibcode 1994PNAS...91.7970L. 
  13. ↑ Wondrak EM, Nashed NT, Haber MT, Jerina DM, Louis JM. A transient precursor of the HIV-1 protease. Isolation, characterization, and kinetics of maturation. The Journal of Biological Chemistry. February 1996, s. 4477–81. DOI 10.1074/jbc.271.8.4477. PMID 8626801. 
  14. ↑ Zhang S, Kaplan AH, Tropsha A. HIV-1 protease function and structure studies with the simplicial neighborhood analysis of protein packing method. Proteins. November 2008, s. 742–53. DOI 10.1002/prot.22094. PMID 18498108. 
  15. ↑ Smith R, Brereton IM, Chai RY, Kent SB. Ionization states of the catalytic residues in HIV-1 protease. Nature Structural Biology. November 1996, s. 946–50. DOI 10.1038/nsb1196-946. PMID 8901873. S2CID 1076528. 
  16. ↑ a b Liu H, Müller-Plathe F, van Gunsteren WF. A combined quantum/classical molecular dynamics study of the catalytic mechanism of HIV protease. Journal of Molecular Biology. August 1996, s. 454–69. DOI 10.1006/jmbi.1996.0476. PMID 8780786. 
  17. ↑ Jaskólski M, Tomasselli AG, Sawyer TK, Staples DG, Heinrikson RL, Schneider J, Kent SB, Wlodawer A. Structure at 2.5-A resolution of chemically synthesized human immunodeficiency virus type 1 protease complexed with a hydroxyethylene-based inhibitor. Biochemistry. February 1991, s. 1600–9. DOI 10.1021/bi00220a023. PMID 1993177. 
  18. ↑ Rang HP. Rang and Dale's pharmacology. 6th. vyd. Philadelphia, Pa., U.S.A.: Churchill Livingstone/Elsevier, 2007. ISBN 9780808923541. 
  19. ↑ Griffin L, Annaert P, Brouwer KL. Influence of drug transport proteins on the pharmacokinetics and drug interactions of HIV protease inhibitors. Journal of Pharmaceutical Sciences. September 2011, s. 3636–54. DOI 10.1002/jps.22655. PMID 21698598. 
  20. ↑ Watkins T, Resch W, Irlbeck D, Swanstrom R. Selection of high-level resistance to human immunodeficiency virus type 1 protease inhibitors. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. February 2003, s. 759–69. DOI 10.1128/AAC.47.2.759-769.2003. PMID 12543689. 
  21. ↑ Loeb DD, Swanstrom R, Everitt L, Manchester M, Stamper SE, Hutchison CA. Complete mutagenesis of the HIV-1 protease. Nature. August 1989, s. 397–400. DOI 10.1038/340397a0. PMID 2666861. S2CID 4351388. Bibcode 1989Natur.340..397L. (En) 
  22. ↑ Moore JP, Stevenson M. New targets for inhibitors of HIV-1 replication. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. October 2000, s. 40–9. DOI 10.1038/35036060. PMID 11413488. S2CID 10811618. 
  23. ↑ Moore JP, Stevenson M. New targets for inhibitors of HIV-1 replication. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. October 2000, s. 40–9. DOI 10.1038/35036060. PMID 11413488. S2CID 10811618. 
Citováno z „https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=HIV-1_proteáza&oldid=23135461“