HIV-药物结合结构指向耐药机制

索尔克研究所的研究人员与美国国立卫生研究院(NIH)的科学家合作，发现了人类免疫缺陷病毒(HIV)对多替拉韦(DTG)产生耐药性的分子机制，多替拉韦(DTG)是一种整合酶(IN)链转移抑制剂(INSTI)，临床上用于治疗艾滋病毒感染的最有效的抗病毒疗法之一。

这项新报告的研究使用冷冻电子显微镜(cryo-EM)等技术来评估HIV变异体与突变整合酶的药物结合，揭示了整合酶3D结构的变化如何导致多替拉韦耐药，并指出了其他药物如何导致多替拉韦耐药。化合物也许能够克服这种阻力。

“对于艾滋病毒，人们必须比病毒提前两步，”索尔克副教授、赫斯特基金会发展主席、该团队在《科学进展》上发表的论文的共同高级作者德米特里·柳姆基斯博士说。“我们现在已经确定了病毒如何针对多替拉韦等药物继续进化，这对于未来治疗方法的开发来说非常重要。”Lyumkis及其同事在一篇题为“HIV-1整合酶对多替拉韦耐药的机制和耐药变异的有效抑制机制”的论文中描述了他们的发现。该团队在论文中得出结论：“总的来说，这些数据提供了对耐药性及其颠覆的机制见解，并将为设计具有改善耐药性的INSTI提供更直接的途径。”

HIV感染取决于病毒将自身遗传物质粘贴到人体细胞基因组中的能力，本质上是劫持细胞成为病毒生产工厂。多替拉韦和相关药物通过阻断病毒酶整合酶发挥作用，这对于病毒将自身DNA整合到宿主基因组中的能力至关重要。病毒整合过程的一部分发生在称为整合体的结构中。作者写道：“整合体物种的形成以及整合体介导的病毒DNA(vDNA)插入宿主基因组是病毒复制周期中的重要步骤。”如果没有发挥作用的整合酶，艾滋病毒就无法有效感染人体细胞。然而，HIV是一种快速变异的病毒，越来越多的HIV毒株对多替拉韦产生耐药性。

Lyumkis的实验室此前曾报告过附着在DNA上的整合酶蛋白的3D结构，并准确地发现了多替拉韦等药物如何结合并阻断整合酶。但研究人员仍然不确定当病毒停止对多替拉韦做出反应时整合酶结构如何变化。在新报告的研究中，Lyumkis和NIH合作者创建了具有突变组合(E138K、G140A/S和Q148H/K/R)的整合酶蛋白版本，已知这些突变使HIV对多替拉韦产生耐药性。然后，他们确定了每个突变整合酶的结构，使用冷冻电镜技术显示了与DTG结合的耐药HIV-1嵌体的结构，并揭示了为什么多替拉韦不能再阻断具有这些耐药突变的蛋白质版本(DRM))。“我们努力了解突变E138K+G140A/S+Q148H/K/R的影响，揭示了DTG抑制某些复杂DRM能力的具体弱点……这些结构辅以自由能模拟、病毒学、和酶学，解释涉及E138K+G140A/S+Q148H/K/R的DTG抗性机制，并说明为什么4d比DTG能更好地保持效力。”Lyumkis补充道：“我们对这些整合酶变体的耐药性程度感到非常惊讶。多替拉韦的作用能力完全受到损害。”

他们还评估了病毒的“适应性”(其产生传染性后代的能力)和酶的活性，以更好地了解导致患者耐药性的原因。

研究人员分别测试了一种实验性HIV药物4d阻断多替拉韦耐药整合酶蛋白功能的功效。4d由Lyumkis在NIH的合作者开发，作为下一代整合酶靶向药物，目前正在进行临床前测试。在刚刚发布的研究中，在所有变体中，4d仍然有效地阻止了HIV将其基因整合到人类细胞中的能力。这表明该化合物的4d或变体可有效用于治疗对多替拉韦产生耐药性的患者的病毒。

关于4d如何与多替拉韦耐药整合酶蛋白结合的结构数据也暗示了新药如何克服耐药性。“4d实际上只是如何对抗耐药性的一个例子，但它为我们提供了一些基本原则，我们可以从中学习设计其他疗法，”国家糖尿病研究所的共同高级作者RobertCraigie博士说。消化系统和肾脏疾病(NIDDK)。“4d分子的一部分像平板一样堆叠在整合酶蛋白质-DNA组装体的一部分上的方式可以在其他化合物中复制。”作者进一步指出，

接下来，科学家们将研究整合酶变体是如何进化的——包括那些尚未在患者身上发现但将来可能出现的变体——以及它们如何影响对最佳临床使用药物的反应以及艾滋病毒感染人类的​​能力。他们进一步指出，“我们的目标之一是了解为什么某些化合物(例如4d)在对抗关键DRM方面比临床批准的药物表现更好。包括结构、生物化学、病毒学和计算在内的多学科分析应该有助于剖析导致某些化合物而非其他化合物发挥功效的原理。”

这种理解水平将是设计新INSTI的重要一步，该新INSTI具有广泛的效力，并且其基本原理适用于其他药物靶点。在评论他们新报告的数据时，该团队表示：“结构和模拟共同提供了一个框架，用于在原子水平上理解当DTG结合时E138K/G140A/Q148K通路内的突变中观察到的变化”。