Immagine: Public Domain.
Gli scienziati hanno finalmente ricreato le fasi iniziali dell’infezione da HIV in una provetta, offrendo una vista incredibilmente ingrandita del virus in azione.
Le incredibili immagini mostrano un guscio a forma di cono di piastrelle geometriche, chiamato capside, che si trova al centro del virus e contiene il suo materiale genetico, noto come RNA. Prima di infiltrarsi in una cellula, il capside è circondato da un involucro di molecole grasse; questo involucro si fonde con la cellula ospite per far entrare il capside, dove poi trasporta l’RNA al nucleo della cellula. Lungo la strada, l’RNA si replica e, una volta all’interno del nucleo, invade il DNA dell’ospite.
Dando uno sguardo più da vicino a questo processo di replicazione, il nuovo studio evidenzia che il capside stesso gioca un ruolo fondamentale nell’infezione e che devono essere soddisfatti criteri specifici affinché il virus intrecci il suo genoma con quello della cellula ospite.
“Sapere come ricreare le fasi iniziali dell’infezione da HIV “significa che abbiamo molti più strumenti per sezionare il processo di replicazione”, ha detto l’autore dello studio Wesley Sundquist, illustre Professore di biochimica presso l’Università dello Utah Health. In particolare, lo studio, pubblicato l’8 ottobre sulla rivista Science , descrive un sistema privo di cellule che può essere utilizzato per studiare come l’HIV invade il genoma dell’ospite: un tale sistema potrebbe “rivoluzionare gli esperimenti sull’HIV in molti laboratori”, dice Leo James, un leader del gruppo presso il laboratorio di biologia molecolare MRC, che non è stato coinvolto nello studio.
“Aver realizzato tutto questo è stato un vero tour de force”, ha aggiunto James. “Oltre alla ricerca di base, il sistema potrebbe anche aiutare a spiegare come i farmaci sperimentali che prendono di mira il capside agiscono per limitare la replicazione dell’HIV”, ha spiegato Sundquist.
Sperimentazioni in provetta
“Sebbene gli esperimenti in provetta catturino gli aspetti dell’infezione da HIV in modo estremamente dettagliato, non possono ricreare ogni fase del processo”, ha osservato Sundquist. L’infezione inizia tipicamente quando la membrana esterna del virus si fonde con la membrana di una cellula ospite, consentendo al capside e alle sue interiora di intrufolarsi all’interno. Ma con un sistema senza cellule, gli autori hanno dovuto bypassare questo passaggio iniziale.
Hanno invece usato un composto trovato nel veleno d’api, chiamato melittina, per “permeabilizzare” la membrana virale e rilasciare il capside contenuto all’interno.
Il capside dell’HIV ha minuscoli pori e normalmente, come una particella virale galleggia attraverso il citoplasma di una cellula umana, raccoglie i mattoni cellulari del DNA, chiamati trifosfati deossinucleotidi, che sono già lì, secondo un rapporto del 2017 nella rivista Natura. Mentre viaggia verso il nucleo, la particella del virus utilizza quei mattoni per creare copie di interi filamenti di DNA, grazie a uno speciale enzima alloggiato all’interno del capside. È così che il virus copia il suo materiale genetico per poi inserirlo nel genoma dell’ospite. Il modo in cui il virus “sa” quando iniziare questa cosiddetta trascrizione inversa è ancora alquanto misterioso, ma gli studi suggeriscono che le proprietà biochimiche della cellula ospite agiscono come spunti per l’inizio della reazione.
Ma una provetta non ha automaticamente blocchi di DNA in soluzione per avviare la trascrizione inversa e per questo gli autori li hanno aggiunti. “Questo metodo esiste da un po’, ma è difficile ottenere una reazione fino al completamento”, ha osservato James. Ma gli autori dello studio sono riusciti a far funzionare senza problemi la trascrizione inversa; per fare ciò, hanno imparato che il capside deve rimanere per lo più intatto durante tutto il processo.
“Il capside deve essere in gran parte intatto e deve avere la giusta stabilità o flessibilità, per supportare la trascrizione inversa, il che significa che il capside deve essere legato abbastanza strettamente da non cadere a pezzi durante la trascrizione inversa, ma in grado di aprirsi quando entra nel nucleo al fine di liberare il suo DNA copiato”, ha detto Sundquist. Fortunatamente, gli scienziati hanno recentemente scoperto un modo per mantenere il capside sufficientemente stabile.Vedi anche:Molecola antibiotica consente al sistema immunitario di uccidere le cellule infettate dall’HIV
L’autore dello studio Owen Pornillos, Professore associato di fisiologia molecolare e fisica biologica presso l’Università della Virginia e i suoi colleghi, hanno scoperto che un composto chiamato IP6 si lega alla superficie piastrellata del capside e hanno riferito la scoperta nel 2018 sulla rivista Nature. IP6 trasporta una carica negativa, mentre ogni piastrella porta una carica positiva sul lato che punta verso il centro del capside; poiché gli opposti si attraggono, quando l’IP6 si lega al capside, aiuta a tirare le piastrelle in una disposizione più stretta e più stabile.
“Prima della scoperta dell’IP6, qualcuno avrebbe rimosso l’involucro virale in vitro e tutto sarebbe andato in pezzi e non avrebbero potuto vedere nulla”, ha detto João Mamede, assistente Professore presso Dipartimento di patogeni microbici e immunità presso la Rush University, che non è stato coinvolto nello studio.
L’IP6 è “abbastanza abbondante” nelle cellule, quindi nei loro esperimenti in provetta, gli autori hanno aggiunto concentrazioni del composto simili a quelle che si sarebbero trovate nelle cellule. “Questo è davvero il trucco”, ha aggiunto Sundquist. “Fino a quando non lo sapevamo, stavamo lavorando con capsidi che erano troppo instabili“.
Vedere per credere
Utilizzando modelli computerizzati di molecole e un microscopio elettronico, gli autori hanno potuto letteralmente vedere che le 240 tessere che compongono il capside mantenevano stabile la loro struttura reticolare durante la trascrizione inversa. Man mano che i filamenti di DNA si ingrandivano, le loro estremità a volte penetravano attraverso minuscoli spazi nella trama reticolare e talvolta si potevano vedere singole tessere staccarsi mentre il resto del capside rimaneva intatto.
“Il capside potrebbe dover rimanere stabile per mantenere l’RNA e l’enzima di trascrizione vicini l’uno all’altro”, ha detto Christopher Aiken, Professore di patologia, microbiologia e immunologia alla Vanderbilt University, che non è stato coinvolto nello studio. “L’enzima tende a cadere dall’RNA durante la trascrizione, quindi mantenendo l’enzima contenuto, può legare nuovamente il modello e continuare la sintesi del DNA”, ha detto Aiken a WordsSideKick.com in una e-mail.
Con la trascrizione inversa completa, gli autori sono quindi passati alla fasealla fase successiva dell’infezione: l’integrazione, in cui il DNA virale si infiltra nel genoma dell’ospite. Hanno introdotto filamenti di DNA noti come plasmidi nelle loro provette, per fungere da proxy per il DNA in un nucleo umano, ma l’integrazione non sarebbe iniziata senza un ingrediente aggiuntivo. Solo “estratti di cellule intere”, un mix di proteine e molecole estratte dalle cellule, consentirebbero al DNA virale di pervadere i plasmidi.
“In futuro, il team spera di individuare con precisione quali ingredienti negli estratti cellulari innescano l’integrazione”, ha detto Sundquist. “È probabile che sia più di una cosa”, ha osservato. Una sfida è che, negli esperimenti in provetta, “è sempre difficile sapere se ti manca qualcosa”.
“Una limitazione dello studio è che non si possono ricreare perfettamente le condizioni cellulari”, ha detto James.
“Qualsiasi sistema in vitro, per quanto potente, può essere utilizzato solo per testare i componenti che conosciamo e che possiamo aggiungere alla reazione”, ha detto James. Ad esempio, nelle cellule reali, il capside deve viaggiare verso il nucleo della cellula, dove è contenuto il DNA, e quindi scivolare attraverso i portali noti come i pori nucleari. “Potrebbero esserci fattori sconosciuti che alterano il capside durante questo viaggio”, ha osservato Sundquist.
“Detto questo, il nuovo sistema senza cellule potrebbe aiutare a rivelare l’identità di quei fattori sconosciuti”, ha aggiunto Mamede. “Gli scienziati possono ora fare osservazioni in un ambiente privo di cellule e quindi verificare se lo stesso comportamento si manifesta nelle cellule reali”, ha detto il ricercatore.
Inoltre, il sistema potrebbe essere utile nello sviluppo di farmaci. “Puoi testare nuovi farmaci più facilmente con uno di questi sistemi semplificati che con una cellula”, ha detto Mamede a WordsSideKick.com. “In questo modo, puoi vedere meccanicamente cosa sta realmente facendo al virus”.
Secondo ClinicalTrials.gov, l’azienda farmaceutica Gilead Sciences ha attualmente un nuovo farmaco in sperimentazione umana che prende di mira specificamente il capside HIV . Sulla base dei primi dati, il farmaco sembra alterare il capside in vari punti dell’infezione, anche durante la trascrizione inversa. Sundquist ha affermato che lo studio senza cellule sottolinea che il capside è un “componente critico” dell’infezione da HIV e che la corruzione del capside può limitare la capacità del virus di moltiplicarsi.
Fonte:a Science
