HIVs hemmelige sexliv I den globale HIV/AIDS epidemi spiller mutation og rekombination en afgørende rolle for udvikling af resistens mod medicinsk behandling. Med beskrivelsen af en ny parringsregion vha. Atomic Force Mikroskopi er forskere på sporet af HIVs sexliv og dermed dens evne til at forandre sig. Af Ebbe Sloth Andersen, Peter Thostrup, Jørgen Kjems og Flemming Besenbacher. I dag er det almen viden at mennesket og andre højerestående organismer har to kopier af deres arvemasse og at dette har vigtige biologiske konsekvenser. Men overraskende er det, at en så simpel livsform som HIV også har udviklet en lignende parringsstrategi. Indkapslet i viruspartiklen har HIV to kopier af sit arvemateriale, der består af RNA og ikke som hos mennesket af DNA. For HIV fungerer den dobbelte kopi som en slags sikkerhedskopi under kopieringen af arvematerialet, men giver samtidig mulighed for parring mellem to forskellige vira og tillader dermed kombination af de bedste egenskaber. Kysse-interaktioner HIVs arvemateriale består at to ens RNA molekyler på ca. 10.000 enheder. Når HIV kan parre sig er det fordi, der er sekvenser i arvematerialet, som har specielle parringsegenskaber. HIV gør brug af en meget basal egenskab ved DNA eller RNA sekvenser, nemlig at den rette rækkefølge af baser kan være selvkomplementære dvs. kan baseparre med sig med sig selv. Disse selvkomplementære sekvenser har den fysiske egenskab, at de er symmetriske, hvorfor man i faglitteraturen omtaler dem som palindromer. Et palindrom er et ord eller en sætning, der kan læses ens både forfra og bagfra, som f.eks. navnet ABBA eller sætningen: "Regitse i Lima fnisede da Baronesse Nora badede sin families tiger". I HIV er det selvfølgelig ikke sætninger - men sammenligningen er alligevel ret god. Lige som et tekstsøge-program kan man nemlig lede efter HIVs RNA palidromer på en computer. Parringen mellem to palindrom-sekvenser i HIV kaldes i faglitteraturen en kysse-interaktion. At HIV gør brug af en sådan kysseinteraktion har været kendt de sidste 10 år, men målrettet medicin mod dette sted kan kun delvist ramme HIVs evne til at inkorporere netop to kopier af sit arvemateriale i viruspartiklen. Det fik vores forskergruppe til at lede videre og ved hjælp af et computerprogram, der søger efter palindromer, fandt vi ganske rigtigt en ny kysse-interaktion. Ved biokemiske eksperimenter fandt vi desuden ud af, at denne kysse-interaktion kun finder sted når arvematerialet bliver behandlet med et af HIVs egne proteiner, nemlig nucleocapsid (NC) proteinet, og at dette protein modner kysse-interaktionen til en meget tæt og stabil knudestruktur. Parring under mikroskop Fundet af et nyt parringssted antydede for os, at HIVs arvemateriale ville danne en stor cirkelstruktur, og denne antagelse blev bekræftet ved undersøgelse med Atomic Force Mikroskopi (AFM). Med AFM teknikken kan man føle overfladen af molekylerne, som med en pick-up på en gammeldages pladespiller (Figur 1A) og på den måde observere de enkelte molekyler med en opløsning på nogle få nanometer (10-9 meter). For at kunne observere HIV molekylerne, måtte vi fiksere dem på en overflade. Her brugte vi det atomart flade MICA-substrat og dækkede
det med et lag af spermin, der er et stof, der normalt bruges til at pakke menneskets DNA arvemateriale i sædceller. Spermin har en positiv ladning og vil derfor tiltrække de negativt ladede DNA eller RNA molekyler til overfladen. Når vi behandlede et stykke af HIVs RNA med NC proteinet afslørede AFM billederne tydelige cirkelstrukturer, som ved udmåling stemte overens med vores forudsigelse (Figur 1B og C). For at bevise opbygningen af disse cirkler ødelagde vi den nyfundne palindrom-struktur. Ved at mutere en enkelt position i HIVs arvemateriale i enten den ene eller den anden interaktion forsvandt cirklerne. Vi har således karakteriseret parringsregionen og kan nu efterfølgende arbejde på at målrette medikamenter mod denne. Perspektiver Men hvilke konsekvenser har den molekylære indsigt for vores forståelse af den globale HIV/AIDS epidemi? Beskrivelsen af HIVs parringsmekanismer giver bl.a. en forklaring på, hvorfor det er så svært at udvikle medicin og/eller en vaccine mod HIV. For bag de skræmmende tal for HIV epidemiens udbredelse (Figur 2A) ligger et andet billede af HIVs diversitet, der viser at epidemien ikke bare består af én virus men af en hel familie af forskellige HIV typer og at disse i høj grad rekombinerer med hinanden (Figur 2B). De forskellige HIV typer og rekombinanter kræver potientielt forskellig medicin, og de spredes for tiden til mennesker over hele kloden via den øgede globale rejseaktivitet. Resultatet vil uundgåeligt blive, at vi om nogle år vil have et utal af HIV typer, der vil gøre medicinsk behandling endnu mere vanskelig. Udviklingen af de mange HIV typer og rekombinanter sker gennem en høj mutationshastighed og hurtig rekombination af de gavnlige mutationer. Den beskrevne parringsstruktur danner grundlag for, at to forskellige HIV typer kan finde sammen og rekombinere deres arvemateriale. Et interessant perspektiv med beskrivelsen af HIVs parringsstruktur er, at vi nu har muligheden for at ødelægge HIVs sexliv! For hvis man med medicin kan ramme evnen til at parre sig, så rammer man samtidig forandringsvilligheden, hvormed den traditionelle medicin kan bevare sin virkning. Referencer: Andersen, E.S., Contera, S.A., Knudsen, B., Damgaard, C.K., Besenbacher, F. and Kjems, J. (2004) Role of the Trans-activation Response Element in Dimerization of HIV-1 RNA. J Biol Chem, 279, 22243-22249. Andersen, E.S., Jeeninga, R.E., Damgaard, C.K., Berkhout, B. and Kjems, J. (2003) Dimerization and Template Switching in the 5' Untranslated Region between Various Subtypes of Human Immunodeficiency Virus Type 1. J Virol, 77, 3020-3030. Figurtekster: Figur 1: Atomar Kraft Mikroskopi (AFM). (A) Man måler kraften mellem en spids nål (proben) og overfladen. Når nålen scannes hen over overfladen, vil kræfterne mellem spidsen og overfladen variere, hvilket kan aflæses af en lysfølsom diode. På en computer kan man nu gendanne et billede af molekylerne på overfladen. (B) Skematisk tegning af den forudsagte cirkelstruktur, der dannes af de to kysse-interaktioner, TAR og DIS (markeret i rødt). (C) Når vi behandlede et stykke af HIVs RNA med NC proteinet afslører AFM billederne tydelige cirkelstrukturer, som ved udmåling stemmer overens med vores model.
Figur 2: Den globale HIV/AIDS epidemi. (A) Voksne og børn der lever med HIV/AIDS ved slutningen af 2003 (baseret på nyeste estimater i UNAIDS 2004 Report on the global AIDS epidemic). (B) Geografisk distribution af HIV subtyper og cirkulerende rekombinante former (CRFs) ifølge geografisk oversigt i HIV sekvensdatabasen (http://hiv-web.lanl.gov/geography/).
A B TAR C DIS 100 nm Figur 1: Atomar Kraft Mikroskopi (AFM). (A) Når nålen scannes hen over overfladen, vil kræfterne mellem spidsen (proben) og overfladen variere, hvilket kan aflæses af en lysfølsom diode. På en computer kan man gendanne et billede af molekylerne på overfladen. (B) Skematisk tegning af den forudsagte cirkelstruktur med de to kysse-interaktioner TAR og DIS i rød. (C) AFM billede af cirkelstruktur, der dannes i HIVs arvemateriale, når det behandles med NC proteinet.
A Nordamerika 1 million Caribien 430.000 Latinamerika 1.6 million Vesteuropa 580.000 Nordafrika & Mellemøsten 480.000 Østeuropa & Centralasien 1.3 million Afrika syd for Sahara 25 millioner Østasien 900.000 Syd- & Sydøstasien 6.5 millioner Australien & New Zealand 32.000 Total: 38 millioner B Figur 2: Den globale AIDS epidemi. (A) Voksne og børn der lever med HIV/AIDS ved slutningen af 2003 (baseret på nyeste estimater i UNAIDS 2004 Report on the global AIDS epidemic). (B) Geografisk distribution af HIV subtyper og cirkulerende rekombinante former (CRFs) ifølge geografisk oversigt i HIV sekvensdatabasen (http://hiv-web.lanl.gov/geography/).