前回に引き続き、2019年度の16号目のネイチャーのハイライトより。
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ウイルス学：HIV-1エンベロープタンパク質のコンホメーション状態
Nature 568, 7752
2019年4月18日
HIV-1のエンベロープタンパク質は、コンホメーションが動的に変化するタンパク質で、CD4（細胞が持つHIV-1受容体）に結合し、HIV-1の細胞への侵入を仲介している。単一分子蛍光共鳴エネルギー移動（smFRET）を用いた以前の研究では、HIV-1エンベロープタンパク質は3つのコンホメーション状態、すなわち状態1（刺激前のまだ結合していないコンホメーション）、状態2（中間段階）と状態3（受容体に結合している）を経ることが明らかにされている。今回W Mothesたちは、構造研究で刺激前のコンホメーションに当たると推定されていたHIV-1エンベロープタンパク質三量体の可溶型は状態1ではなく、状態2と3に当たる下流のコンホメーションがほとんどであるらしいことを、smFRETを使って明らかにした。従って、状態1のコンホメーションの構造は、まだ決定されていないということになりそうだ。
NEWS & VIEWS p.321
LETTER p.415
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この論文はネイチャーのニュースにも取り上げられました。
日本語版本誌においては、「ウイルス学：HIVの状態は単純なものではない」と題されています。
見出しにおいては、「HIV-1のエンベロープタンパク質は、このウイルスの中和抗体の標的である。今回、HIVエンベロープタンパク質のコンホメーション状態が新たに調べられ、ワクチン設計に適したコンホメーションを特定するための探究は振り出しに戻った。」と取り上げられました。
フルテキストを直訳しますと・・・
ネイティブHIV-1エンベロープタンパク質のコンフォメーションは、ワクチン設計に疑問を投げかけます
となります。
見出しを直訳しますと・・・
HIV-1エンベロープタンパク質は、ウイルスを中和する抗体の標的です。このタンパク質のコンフォメーション状態を新たに調べると、ワクチンの設計に関連するものを特定するための探求が再開されます。
となります。
本文を直訳しますと・・・
HIV-1による宿主細胞の感染の最初のステップは、ウイルスの表面に発現しているエンベロープ（Env）糖タンパク質の細胞受容体への結合です。 Envは、三量体を形成する3つのヘテロ二量体複合体の準安定アセンブリです。Natureの中で書いているLu et al.[1]は、Env三量体のネイティブなコンフォメーション状態の検索を再開する示唆に富むデータを提示しています。
細胞受容体に結合する前は、Env三量体は閉じた（ネイティブとも呼ばれる）コンフォメーション状態にあります。このコンフォメーションは、ウイルスが細胞に侵入するために不可欠であるが、そうでなければ、HIV-1感染に応答して宿主の免疫系によって生成されるEnv特異的中和抗体の標的となる特定のドメインをマスクします。細胞受容体（最初はCD4、次に補助受容体）との相互作用がコンフォメーション変化を引き起こし、Env三量体を開き、ウイルス細胞と宿主細胞の膜の融合への道を開きます[2]（図1）。 Env三量体の多様な構造を定義することは、宿主の中和抗体反応を理解し、保護抗体の産生を刺激するタンパク質であるEnv由来の免疫原に基づくワクチンを開発するための鍵となります。
ほとんどの中和抗体による攻撃から保護されているにもかかわらず、ネイティブの三量体は、広く中和する抗体（bnAbs）によって強力に標的にされます。これらの抗体は、非常に優れた中和幅を持っています。つまり、Envをコードする遺伝子が変異したときに出現するHIV-1サブタイプおよびバリアントの広いスペクトルに対してアクティブです。これらの抗体はHIVワクチンの開発で調査されていますが、これまでのところ、動物やヒトでbnAb応答を促進できるワクチンはありません[2–4]。 bnAb活性を正常に誘発できるEnv由来の免疫原を探しています。ネイティブのEnv三量体の構造を解決することが重要です。これは、ウイルスが細胞に結合して侵入する前に存在するエンティティだからです。これは、HIV-1に感染した人々のbnAb産生を引き起こす免疫原でもある可能性があります。
細胞受容体に結合していない場合でもコンフォメーション間を遷移するEnv三量体の固有の柔軟性は、動的プロセスと準安定状態を結晶化と極低温電子顕微鏡でキャプチャできないため、構造解析のオプションを制限します。したがって、私たちの知識は、人工的に安定化されたEnvタンパク質の分析から得られたデータに基づいています。たとえば、操作された変異Envタンパク質やEnvと抗体の複合体[2–4]などです。 Env三量体の2つの異なるコンフォメーション（1つは閉じており、もう1つは開いてCD4受容体に結合している）は、構造解析によって定義されています。
SOSIP三量体として知られる構造は、予防接種や構造研究で調査された、設計された安定化されたEnv三量体の1つのタイプで構成されています[3]。 SOSIP三量体に結合する抗体の能力は、それらの中和幅の程度と相関しています[3,5]。これは、これらの三量体がEnvタンパク質のネイティブな中和関連コンフォメーションを表していることを示しており、ワクチンの有望な候補免疫原となっています。
単一分子蛍光共鳴エネルギー移動（smFRET）イメージングと呼ばれる手法は、タンパク質のコンフォメーション状態によって変化する、特異的に標識されたタンパク質領域の近接性に関する情報を提供します。この手法では、Envタンパク質の全体的な構造を視覚化することはできませんが、Env三量体の開閉を追跡します。ウイルスが宿主細胞と融合する前に、3つのEnv状態を区別することができます。状態1、最高度の近接性を示す非結合状態。状態2、もう少し開いた中間状態。状態3、開いたCD4バインド状態[6]（図1）。 Luらは、構造解析で調査された安定化されたEnvバリアントでsmFRETを使用して、どのsmFRET状態がEnv三量体構造の確立されたモデルと一致するかを理解しました。彼らはまた、ウイルス粒子に発現する野生型Envを分析しました。
一連の技術的に困難な測定を通じて、著者らは、安定化されたEnv三量体が主に中間状態2のコンフォメーションを採用し、野生型Envによって採用されたと思われるより閉じた状態1を採用しないことを示しています。状態2SOSIP Env免疫原[7]でワクチン接種された牛から分離された4つのbnAbも、Envの状態2コンフォメーションを標的としました。この発見は、ワクチン接種によって誘導された抗体が、ワクチンに使用されているEnv免疫原のコンフォメーション状態を優先的に認識する可能性があることを示唆しています。対照的に、そして驚くべきことに、この研究で評価されたHIV-1感染者から分離されたほとんどのHIV-1 bnAbは、状態1のコンフォメーションを標的としていました。
ワクチン開発のために現在調査中のEnv免疫原が状態2コンフォメーション[2–4]にあることを考えると、これらの観察は科学者に行動を呼びかけます。 Envの非結合コンフォメーションの状態1または状態2のどちらが、ウイルスを中和するためのより良いターゲットでしょうか？自然感染でbnAb応答を引き起こす状態はどれでしょうか？そして、どの州がワクチン接種に最適な免疫原を提供していますか？とらえどころのない状態1の構造とその機能特性を定義することは、これらの質問に答えるために不可欠です。さらに、研究者は、どのコンフォメーションが中和関連の標的であるかを示すため、異なるEnv状態の特定の阻害剤を特定する必要があります。
Luと同僚による観察と同様に興味深いものですが、その影響を完全に理解するためにやるべきことがたくさん残っています。ネイティブウイルス粒子を支配するコンフォメーションは、安定するように設計できない場合、その生理学的関連性にもかかわらず、優れた免疫原ではない可能性があります。さらに、状態1と2の違いは小さすぎて、異なるbnAb応答を誘発できない可能性があります。両方のEnvコンフォメーションに基づく免疫原を使用したワクチンの直接比較のみがこの点に対処します。州1の免疫原は利用できませんが、州2の免疫原を用いた今後のワクチン試験では、この議論に関連するデータがもたらされるでしょう。
宿主細胞と融合する前のHIV-1のEnv三量体のさまざまなコンフォメーション状態の相対的な重要性を定義することは、オランダの芸術家MCEscherが1938年の光学的錯覚ThreeBirdsで視聴者のために作成したタスクに似ています（go.nature.com/2q33d9bを参照）。羽ばたく群れの中で最も優勢な鳥の色を選択するのと同じように、三量体のCD4結合前の遷移状態の中から最も関連性の高いEnv配座を選択することは、それらが表示されるコンテキストによって異なります。状態1と2の違いは微妙かもしれませんが、これらの状態を構造的および機能的に定義することは、HIVワクチン分野に情報を提供するために不可欠です。手にした鳥は、すべてを探し出せば、茂みの中で2羽の価値があると確信することしかできません。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：NEWS & VIEWS p.321
Conformation of the native HIV-1 envelope protein raises questions for vaccine design
本論文においては、日本語版本誌では、「ウイルス学：HIV-1のエンベロープ糖タンパク質の構造を、smFRETで観察されたウイルス上の状態と結び付ける」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
HIV-1エンベロープ糖タンパク質構造とsmFRETによって観察されたウイルスの状態との関連付け
となり、Abstractを直訳しますと・・・
HIV-1外被糖タンパク質（Env）三量体は細胞侵入を仲介し、立体配座的に動的です[1,2,3,4,5,6,7,8]。単一分子蛍光共鳴エネルギー移動（smFRET）によるイメージングにより、無傷のビリオンの表面で、成熟した融合前のEnvが、事前にトリガーされたコンフォメーション（状態1）からデフォルトの中間コンフォメーション（状態2）を経て3つのCD4受容体分子（状態3）に結合しているコンフォメーション[8,9,10]。これらの状態が既知の構造とどのように関連しているかは現在不明です。 HIV-1 Env三量体の構造的特徴づけにおけるブレークスルーは、ジスルフィド結合、残基559でのイソロイシンからプロリンへの置換、および残基664でのトランケーションによって安定化される、gp140Envの可溶性でタンパク質分解的に切断された三量体を生成することによって以前に達成されました。 （SOSIP.664三量体）[5,11,12,13,14,15,16,17,18]。低温電子顕微鏡法の研究は、抗体PGT15119と複合体を形成したHIV-1JR-FL株のC末端が切断されたEnvを使用して実施されました。どちらのアプローチでも、Envの同様の構造が明らかになりました。これらの構造は、HIV-1 Envの事前にトリガーされた状態1を表すと推定されていますが、この仮説は直接テストされたことがありません。ここでは、smFRETを使用して、構造研究に使用されるEnv三量体のコンフォメーション状態を無傷のウイルスのネイティブEnvと比較します。現存する高解像度構造の基礎となる構造は、主に状態2と3を表す下流のコンフォメーションを占めることがわかります。したがって、smFRETによって識別されたウイルスEnvの事前にトリガーされた状態1コンフォメーションの構造は次のとおりです。多くの広く中和する抗体によって優先的に安定化されるため、免疫原の設計に関心がありますが、不明なままです。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：LETTER p.415
Associating HIV-1 envelope glycoprotein structures with states on the virus observed by smFRET
Data availabilityによりますと・・・
この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。
Code availabilityによりますと・・・
smFRETデータのすべての分析に使用されたSPARTAN[34]の完全なソースコードは、次のURLで入手できます。
http://www.scottcblanchardlab.com/software
究極に溜まりに溜まりまくっているネイチャー。次回は、「構造生物学：反復性脳損傷で見られるタウ繊維中に含まれる補因子らしきもの」を取り上げます。
現在の事態が事態なので、ネイチャーの論文が停滞しております。時期を見まして取り上げる量を増やそうと思っています。
※体調を確保しながらなので、更新等が滞ることもあるかと思いますので、申し訳ないと思っております。主治医の指示に従っておりますので、ご安心くださいませ。まずは取り急ぎに取り上げます。
※政宗（いぬのきもち・ねこのきもちのデータベース）つついては、体調をみながら随時、最終更新日から取り上げています。癒し＆知識の増強にお役立てくださいませ。
※母がコロナウイルスワクチン接種の予約日が近づいておりますので、予約票の郵送後の書類等を失くしやすいなどの防止のための対策や、フォローなどの対策も必要なので、ブログ更新や巡回等が遅くなると思います。申し訳ございません。
≪natureの論文より≫
■コロナウイルス：SARS-CoV-2スパイク変異株はウイルス複製を増強する
■コロナウイルス：慢性COVID-19患者におけるSARS-CoV-2の進化
■コロナウイルス：バイオンテック社/ファイザー社製ワクチン候補BNT162b1とBNT162b2の前臨床開発
■コロナウイルス：南アフリカでのSARS-CoV-2変異株のゲノム疫学
■コロナウイルス：モデルナ社製とファイザー社製のSARS-CoV-2 mRNAワクチンによって誘導される抗体応答の解析
■コロナウイルス：SARS-CoV-2の現在拡散中で懸念されている変異株に対する中和活性
■コロナウイルス：BNT162b2ワクチンによって誘発されたSARS-CoV-2中和抗体に対するB.1.1.7変異株の感受性
■コロナウイルス：回復期血漿を用いたSARS-CoV-2変異株の交差中和
■コロナウイルス：SARS-CoV-2の新しい変異株に関連した死亡リスクの上昇
■コロナウイルス：安価なハンセン病薬がSARS-CoV-2に対する広域スペクトルの抗ウイルス薬となる
■コロナウイルス：SARS-CoV-2に対するヒト由来のIgG様二重特異性抗体