Humane Immundefizienz-Viren (HIV), Computergrafik (© Novartis Vaccines)
Nachdem vor gut drei Jahren die komplexe dreidimensionale Struktur des HIV-Erbguts (HIV = Human Immunodeficiency Virus) veröffentlicht wurde (1), haben Forscher nunmehr die Struktur der Viruskapsel – des sogenannten Kapsids – vollständig beschrieben (2). Dieses Kapsid liegt direkt unter der äußeren Hülle des Virus und schützt das virale Erbgut, in dem es dieses vollständig umschließt.

Nach dem Eindringen des HI-Virus in eine menschliche Wirtszelle, öffnet sich das Kapsid, und das virale Erbgut wird in das Genom der Zelle infizierter Menschen eingebaut. Daraufhin stellt die menschliche Zelle eine Vielzahl neuer HI-Viren her, die ihrerseits weitere Zellen befallen und dadurch zum Fortschreiten der Krankheit führen. Unbehandelt führt eine Ansteckung mit dem HI-Virus zu einer Schwäche des Immunsystems, welches dann irgendwann nicht mehr in der Lage ist, Krankheitserreger abzuwehren oder das Entstehen von Tumoren zu verhindern. In diesem fortgeschrittenen Stadium der Krankheit spricht man von AIDS (Acquired Immunodeficiency Syndrome).

Wissenschaftler aus den USA – unter ihnen ein deutscher Physiker – haben nun basierend auf einer Computersimulation die komplexe Struktur des HIV-Kapsids aufklären können. Dabei kam der Petaflop-Supercomputer „Blue Waters“ der University of Illinois zum Einsatz. Dieser Computer zählt zu den leistungsstärksten Supercomputern der Welt mit mehr als einer Billiarde Rechenoperationen pro Sekunde. Diese Rechnerleistung war erforderlich, da 64 Millionen Atome simuliert werden mussten, was die bisher größte veröffentlichte molekulare Simulation darstellt.

Das Kapsid-Protein lagert sich zunächst meist zu Hexameren zusammen. Um sich zum Kapsid zu schließen, sind an einigen Stellen auch Pentamere erforderlich. Da nicht jedes virale Kapsid gleich aufgebaut sein dürfte, haben die Forscher zwei Kapsid-Strukturen simuliert. Ein Modell bestand aus 216 Hexameren, das andere aus nur 186 Hexameren. Beide enthielten jeweils exakt 12 Pentamere. Die Forscher vermuten insbesondere im Bereich der Pentamere potenzielle Angriffsstellen für die Entwicklung neuer antiretroviraler Medikamente.

Seitdem man weiß, dass Rhesusaffen eine HIV-Immunität durch ein spezielles Protein entwickelt haben (3), das die Funktionsfähigkeit des viralen Kapsids stört, sind die Kapside in den Fokus diverser Forschungsarbeiten gerückt. Bisher gibt es noch keine zugelassenen HIV-Medikamente, die das virale Kapsid als Angriffspunkt haben. Die nunmehr vorliegende Struktur des HIV-Kapsids stellt die Basis dar, um zielgerichtet neue Medikamente gegen das Virus zu entwickeln mit dem Ziel, dass es sein Erbgut gar nicht mehr in die infizierte Zelle freisetzen kann.

Bei diesen neuen Erkenntnissen wird einmal mehr die Bedeutung von Biotechnologie und Molekularbiologie zusammen mit Ansätzen aus der Computer- und Informationstechnologie ersichtlich. Diese interdisziplinären Forschungsaktivitäten haben das Verständnis des Infektions- und Krankheitsverlaufs bei HIV/AIDS weiter verbessert und darüber hinaus neue Ansatzpunkte für mögliche neue Arzneimittel zur Bekämpfung von HIV-Infektionen geliefert.


Literaturtipps:

(1) Watts et al., Architecture and secondary structure of an entire HIV-1 RNA genome, Nature, 2009, Volume 460, pp 711-716.
(2) Zhao et al., Mature HIV-1 capsid structure by cryo-electron microscopy and all-atom molecular dynamics, Nature, 2013, Vol. 497, pp 643-646.
(3) Rhesus-Affe: Pertel et al., TRIM5 is an innate immune sensor for the retrovirus cap-sid lattice, Nature, 2011, Volume 472, pp 361–365.