Noi perspective structurale deschid calea pentru vaccinurile împotriva hantavirusului

Un studiu condus de Universitatea din Texas, Austin și publicat recent în jurnalul Cell a analizat în detaliu organizarea moleculară a glicoproteinelor virusului Andes. Cercetarea arată că structura tetramerică a complexului glicoproteic Gn–Gc și interacțiunile dintre subunități joacă un rol esențial în intrarea virusului în celule și în mecanismele de neutralizare imună, oferind informații valoroase pentru dezvoltarea de vaccinuri și anticorpi terapeutici.

Idei principale

• Virusul Andes provoacă sindromul cardiopulmonar cu hantavirus, cu o mortalitate de până la 40%.
• Studiul a determinat structura tetramerului glicoproteic Gn–Gc la rezoluție de 2,35 Å utilizând microscopie crio-electronică.
• Au fost identificate interfețe moleculare esențiale care stabilizează structura virală.
• Rezultatele arată cum acidificarea endozomilor declanșează fuziunea virală.
• A fost analizată interacțiunea virusului cu anticorpul neutralizant ADI-65534.
• Au fost testate și platforme de vaccin bazate pe ARN replicativ autoamplificator care codifică glicoproteinele virale.

Context

Virusul Andes este un hantavirus din Lumea Nouă transmis de rozătoare și responsabil de sindromul cardiopulmonar cu hantavirus, o boală severă caracterizată prin insuficiență respiratorie acută. Mortalitatea poate ajunge la aproximativ 40%, ceea ce îl transformă într-o amenințare majoră pentru sănătatea publică.

Infecția umană apare în principal prin inhalarea aerosolilor proveniți din saliva, urina sau excrementele rozătoarelor infectate. În mod excepțional, virusul Andes poate fi transmis și între oameni prin contact apropiat.

Virusul aparține familiei Hantaviridae și conține un genom ARN segmentat, cu sens negativ. Segmentul genomic mediu codifică un precursor glicoproteic care este procesat în două glicoproteine de suprafață:

• Gn
• Gc

Aceste glicoproteine formează heterodimeri care se organizează în tetrameri și ulterior într-o rețea structurală pe suprafața virusului. Complexul glicoproteic este responsabil de atașarea virusului de receptorul celular protocadherina-1 și de fuziunea membranelor în timpul infecției.

Deoarece Gn și Gc sunt singurele proteine expuse la suprafața virusului, ele reprezintă principalele ținte ale anticorpilor neutralizanți și sunt considerate antigene esențiale pentru dezvoltarea vaccinurilor.

Despre studiu

Obiectivul cercetării

Scopul studiului a fost determinarea structurii tridimensionale a complexului glicoproteic Gn–Gc în contextul membranei virale și identificarea mecanismelor moleculare implicate în:

• asamblarea virusului
• fuziunea virală cu membrana celulară
• neutralizarea virusului de către anticorpi

Strategia experimentală

Pentru a evita manipularea virusului patogen în condiții de biosiguranță ridicată, cercetătorii au utilizat particule virale asemănătoare virusului (VLP), generate prin exprimarea glicoproteinelor virale în celule.

Pentru a crește eficiența producerii acestor particule, a fost introdus un marker eVLP la nivelul glicoproteinei virale, ceea ce a crescut producția particulelor virale de aproximativ 30 de ori.

Structura complexului glicoproteic a fost determinată prin microscopie crio-electronică cu analiză de particule individuale.

Determinarea structurii tetramerice

Analiza structurală a inclus:

• 253.514 particule analizate
• date obținute din 17.681 imagini
• rezoluție finală de 2,35 Å

Structura obținută a permis modelarea completă a domeniilor extracelulare ale glicoproteinelor Gn și Gc, precum și a domeniilor transmembranare.

Rezultate

Organizarea tetramerului glicoproteic

Structura determinată arată că tetramerul este organizat în trei regiuni principale:

• regiunea distală de membrană, dominată de domeniile externe ale glicoproteinelor
• regiunea centrală, care include domenii structurale stabilizatoare
• regiunea proximală de membrană și domeniile transmembranare

Structura conține patru situsuri de glicozilare și peste 450 molecule de apă implicate în stabilizarea interacțiunilor dintre subunități.

Interfețele moleculare ale tetramerului

Analiza a identificat trei tipuri principale de interacțiuni care stabilizează structura tetramerică:

• interacțiuni între Gn și Gc
• interacțiuni între subunități Gn
• interacțiuni suplimentare între Gn și Gc din protomeri vecini

Aceste interacțiuni includ legături de hidrogen, interacțiuni electrostatice și interacțiuni hidrofobe, care mențin complexul într-o conformație stabilă înainte de fuziune.

Mecanismul de activare dependent de pH

Studiul a identificat mai multe reziduuri de histidină situate în interfețele structurale ale complexului glicoproteic. Aceste reziduuri acționează ca senzori de pH.

În mediul acid al endozomilor, protonarea histidinelor determină repulsii electrostatice care destabilizează interfețele tetramerului. Această destabilizare permite reconfigurarea glicoproteinei Gc într-o formă post-fuziune care mediază fuziunea membranelor virale și celulare.

Interacțiunea cu anticorpul neutralizant ADI-65534

Cercetătorii au analizat și interacțiunea complexului glicoproteic cu anticorpul neutralizant ADI-65534, un anticorp capabil să recunoască mai multe hantavirusuri.

Structura complexului anticorp-antigen a fost determinată la rezoluție de 3,3 Å. Analiza a arătat că anticorpul se leagă de colțurile tetramerului glicoproteic și stabilizează structura într-o conformație care împiedică fuziunea virală.

Interesant, forma completă a anticorpului de tip imunoglobulină G nu poate lega simultan doi tetrameri vecini. Cercetătorii au arătat însă că utilizarea unui izotip de anticorp cu regiune hinge mai lungă ar putea permite această legare și ar crește eficiența neutralizării virale.

Evaluarea unui vaccin experimental bazat pe ARN replicativ

Studiul a evaluat și mai multe variante de vaccin bazate pe ARN replicativ autoamplificator, administrate în nanoparticule cationice.

Experimentele au fost realizate la șoareci C57BL/6 femele (10 animale pe grup), imunizate în zilele 0 și 35.

Analiza răspunsului imun a arătat:

• titluri ridicate de anticorpi care recunosc glicoproteinele virale
• titluri de anticorpi neutralizanți de până la 1:6.267

Cu toate acestea, includerea etichetei eVLP nu a crescut în mod consistent titrul anticorpilor neutralizanți, sugerând că optimizarea antigenelor virale este necesară pentru dezvoltarea unui vaccin eficient.

Interpretarea rezultatelor

Determinarea structurii glicoproteinelor virusului Andes oferă o imagine detaliată asupra mecanismelor moleculare implicate în:

• asamblarea virusului
• intrarea în celule
• neutralizarea de către anticorpi

Identificarea interfețelor structurale și a mecanismelor dependente de pH care declanșează fuziunea virală deschide posibilitatea dezvoltării de strategii terapeutice care să stabilizeze aceste structuri și să împiedice activarea virală.

Concluzii

Studiul oferă prima descriere de înaltă rezoluție a structurii tetramerului glicoproteic al virusului Andes în contextul membranei virale. Rezultatele clarifică modul în care complexul Gn–Gc mediază intrarea virusului în celule și modul în care anticorpii neutralizanți pot bloca acest proces. Aceste descoperiri furnizează informații esențiale pentru dezvoltarea vaccinurilor și terapiilor bazate pe anticorpi împotriva hantavirusurilor.