Forschungsbericht 2013 - Max-Planck-Institut für Informatik

Neue Angriffspunkte gegen HIV

Autoren
Kalinina, Olga; Pfeifer, Nico
Abteilungen
Bioinformatik, Max-Planck-Institut für Informatik, Saarbrücken
Zusammenfassung
Selbst nach mehr als 25 Jahren HIV- und AIDS-Forschung gibt es noch keine zugelassene Therapie, die infizierte Patienten von dem Virus befreit. Forscher am Max-Planck-Institut für Informatik haben bioinformatische Methoden entwickelt, um besser vorherzusagen, welche Patienten von einer neuen Klasse von Medikamenten gegen HIV am meisten profitieren. Ferner studieren sie die Eigenschaften der menschlichen und viralen Proteine, die am viralen Zelleintritt beteiligt sind. Des Weiteren unterstützen sie neue Ansätze zum HIV-Impfstoffentwurf, indem sie bessere Antikörpertests vorschlagen.

Einleitung

34 Millionen Menschen waren laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) im Jahr 2011 weltweit mit HIV infiziert. Etwa 1,7 Millionen Menschen sind im gleichen Jahr an AIDS gestorben – darunter auch 230.000 Kinder. Die Zahl der HIV Neuinfektionen lag 2011 laut WHO weltweit etwa bei 2,5 Millionen. Ein Großteil dieser neu infizierten Menschen lebt danach in Südafrika. In der südafrikanischen Provinz KwaZulu-Natal waren laut einer Studie des südafrikanischen Gesundheitsministeriums ca. 39,5% der Frauen, die eine pränatale Klinik besuchten, HIV-infiziert. Programme für die Verteilung von antiretroviralen Medikamenten gegen HIV in Entwicklungs- und Schwellenländern haben zwar schon zu großen Erfolgen geführt, nichtsdestotrotz waren 2010 weltweit laut WHO immer noch mehr als 50% der mit HIV-infizierten Patienten ohne Behandlung durch antiretrovirale Medikamente. Um diesem Problem entgegenzuwirken, sind präventive Maßnahmen unumgänglich. Viele Viren wie Polioviren oder Pockenviren wurden in der Vergangenheit erfolgreich mit Impfkampagnen eingedämmt. Durch die hohe Variabilität unterschiedlicher HI-Viren ist es trotz mehr als 25 Jahren Forschung noch nicht gelungen einen Impfstoff zu entwickeln, der Immunität gegen einen Großteil der vorhandenen HI-Viren verleiht. Hier ist es allerdings in den letzten Jahren zu einigen wichtigen Durchbrüchen gekommen. So gelang es zum Beispiel Walker und Kollegen, Antikörper, die sehr viele verschiedene HIV Stämme binden und damit neutralisieren können, von Patienten zu isolieren, die eine starke Immunantwort gegen HIV zeigen [1]. In Zukunft ist es vielleicht möglich einen Impfstoff zu entwickeln, bei dem das Wissen über diese Antikörper genutzt wird, wie ein kürzlich erschienener Artikel im Journal Nature verdeutlicht. In dieser Studie wurde eine Kombination von mehreren verschiedenen dieser potenten Antikörper therapeutisch verwendet und gezeigt, dass die Kombination von Antiköpern die Anzahl der HI-Viren deutlich reduzieren kann [2].

Da eine HIV-Infektion bisher nicht heilbar ist, konzentriert sich ein Großteil der HIV-Forschung darauf, die Symptome der infizierten Patienten zu lindern und deren Leben zu verlängern. Dies bedeutet, dass die Patienten antiretrovirale Medikamente nehmen müssen, um die Anzahl der Viren im Körper gering zu halten. Da HIV eine hohe Mutationsrate hat, entstehen in infizierten Menschen allerdings ständig neue virale Varianten, zum Teil mit bisher nicht beobachteten Kombinationen von Mutationen. Dies kann dazu führen, dass bestimmte HI-Viren gegen ein Medikament resistent werden. In diesen Fällen ist dann eine Anpassung der Gabe von antiretroviralen Medikamenten notwendig. Folglich werden immer wieder neue Medikamente erforderlich, die am besten an unterschiedlichen Angriffspunkten ansetzen, da es für verschiedene Medikamente, die denselben Wirkstoffmechanismus nutzen, zu Kreuzresistenzen kommen kann [3]. Dies bedeutet, dass ein Virus durch einen Satz von Mutationen nicht nur gegen das verwendete Medikament, sondern auch gegen ein anderes Medikament aus der gleichen Klasse resistent werden kann.

Eine neue Klasse von antiretroviralen Medikamenten gegen HIV ist die der Eintrittshemmer. HIV infiziert eine Gruppe von Immunzellen, die CD4+ Zellen genannt werden. CD4 ist auch der Name eines Proteins, das sich auf der Oberfläche dieser Zellen befindet. Dieses Protein ist das erste und wichtigste Protein an welches HIV beim Zelleintritt bindet. Nachdem CD4 gebunden ist, muss HIV noch an ein weiteres Protein, einen sogenannten Co-Rezeptor, binden. Die zwei am häufigsten im Menschen von HIV genutzten Co-Rezeptoren heißen CCR5 und CXCR4. HIV-Varianten, die ausschließlich den CCR5 Co-Rezeptor für den Zelleintritt verwenden können, werden R5-Viren genannt und HIV Varianten, die nur den CXCR4 Co-Rezeptor hierfür verwenden können, werden X4-Viren genannt.

Vorhersage von HIV Co-Rezeptor-Nutzung aus der viralen Genomsequenz

Bevor ein HIV-Eintrittshemmer verschrieben werden kann, muss erst einmal festgestellt werden, ob er für die Virenpopulation in dem jeweiligen Patienten geeignet ist. Da es bisher lediglich Eintrittshemmer gibt, die den CCR5 Co-Rezeptor blockieren, können nur Patienten mit Eintrittshemmern behandelt werden, die hauptsächlich R5-Viren beherbergen. Um zu bestimmen, ob dies der Fall ist, gab es in der Vergangenheit schon Labortests wie Trofile und ESTA, welche aber ein relativ großes Probenvolumen benötigen, sehr langwierig sind und, da sie fast ausschließlich von einer Firma in den USA ausgeführt werden, nicht von überall auf der Welt zugänglich sind.

Die Co-Rezeptor Nutzung der jeweiligen Viren ist stark von der Zusammensetzung der V3-Schleife abhängig, einem Teil des Proteins von HIV, das in der Virenhülle steckt und beim Zelleintritt an den Co-Rezeptor andockt. Deswegen gibt es auch Ansätze, die die Genomsequenz der V3-Schleife verwenden, um die Co-Rezeptor Nutzung vorherzusagen. Bisher wird in den meisten Kliniken mittels Genomsequenzierung im Labor eine Konsensussequenz der V3-Schleifen im Patientenblut häufig vorkommender HI-Viren bestimmt. Um aus dieser Sequenz mit Computer-Hilfe die Co-Rezeptornutzung des Virus zu bestimmen, entwickelten Forscher vom Max-Planck-Institut für Informatik schon 2006 ein bioinformatisches Modell mit dem Namen geno2pheno[coreceptor], beruhend auf der statistischen Methode der Support-Vektor Maschinen [4]. Da es durch die neuen Sequenziermaschinen nun aber seit einigen Jahren möglich ist, die Virenpopulation im Patientenblut mit deutlich höherer Auflösung zu bestimmen und dabei nicht nur die Konsensussequenz sondern alle einzelnen Virensequenzen zu messen, wurde es auch notwendig, die statistischen Lernansätze anzupassen, um den größtmöglichen Nutzen aus den neuen Daten ziehen und bioinformatisch die bestmögliche Vorhersage für den jeweiligen Patienten liefern zu können.

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Abb. 1: Ergebnisvisualisierung der Vorhersagemethode: Zusätzlich zu der verbesserten Vorhersagemethode wurde auch eine neuartige Visualisierung entwickelt, die zeigt, welche Aminosäuren an welcher Position einen besonderen Einfluss auf die Vorhersage hatten. Ein roter Buchstabe bedeutet, dass der Patient das Medikament eher nicht nehmen sollte, ein grüner steht für Unbedenklichkeit. Die Sequenz ist ein Beispiel für eine V3-Schleifensequenz eines Virus, der nicht mit dem Eintrittshemmer behandelt werden sollte.

Ein erster Ansatz bestimmte mittels geno2pheno[coreceptor] die Co-Rezeptor Nutzung der verschiedenen beobachteten V3-Schleifen von Viren im Patientenblut. Anhand des Anteils von so gefundenen X4-Viren wurde entschieden, ob die Wirkstoffgabe noch vielversprechend oder aussichtslos ist [5]. Da hier jede Sequenz einzeln betrachtet und kein Bezug zwischen verschiedenen Sequenzen hergestellt wird, haben die Forscher diesen Ansatz erweitert, um die Diversität der Sequenzen besser repräsentieren zu können und die Qualität der Vorhersagen weiter zu verbessern [6]. Die Forscher am Max-Planck-Institut für Informatik konnten hierdurch auch ein statistisches Modell ableiten, um das Wissen, das man mit den vielen mit den neuen Sequenziermaschinen abgelesenen Sequenzen erworben hat, auf die Vorhersage des Co-Rezeptorgebrauchs auf der Basis von Konsensussequenzen zu übertragen, die mit der ursprünglichen Sequenziermethode erhalten werden (Abb. 1). Dies ist insbesondere wichtig, da viele Kliniken noch keinen Zugang zu den neuen Sequenzierern haben. Zusätzlich konnten die Forscher wichtige Positionen in der V3-Schleife finden, die aussagekräftig für die jeweilige Co-Rezeptor Nutzung sind. Dies kann Hinweise darauf geben, wie die Interaktion zwischen V3-Schleife und Co-Rezeptor abläuft, und vielleicht weitere Angriffspunkte gegen HIV aufzeigen.

Strukturelles Modell für die Co-Rezeptor Bindungsspezifität

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Abb. 2: Ein Modell der Bindungsspezifität von HIV Co-Rezeptoren: das elektrostatische Potenzial der Proteine ist entgegengesetzt zu dem ihrer natürlichen Bindungspartner, sodass eine elektrostatische Anziehung möglich ist. Die Bindungsspezifität des HI-Virus kann durch einen ähnlichen Mechanismus bestimmt werden.

Die Co-Rezeptoren CCR5 und CXCR4 gehören zur prominenten Proteinfamilie von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren. Sie sitzen in der zellulären Außenhülle und dienen dazu, dass chemische Signale vom extrazellulären Raum in die Zelle übermittelt werden. Die Entdeckung von ihrer dreidimensionalen Struktur und dem Signalübermittlungsmechanismus wurde 2012 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet [7]. HIV bindet an diese Rezeptoren mit einem flexiblen und sehr mutationsanfälligen Teil des Hüllproteins, der V3-Schleife genannt wird. Forscher am Max-Planck-Institut für Informatik haben jeweils die Interaktion zwischen V3-Schleife und Co-Rezeptor modelliert, und zwar separat für Varianten, die spezifisch für die Nutzung des einen oder des anderen Co-Rezeptors sind. Die im Jahr 2010 aufgelöste dreidimensionale Struktur von CXCR4 [8] wurde als Muster für eine Modellierung von der dreidimensionalen Struktur von CCR5 benutzt, und beide Strukturen wurden im Zusammenhang mit den natürlichen Bindungspartnern der entsprechenden Proteine analysiert. Bei dieser Analyse konnte gezeigt werden, dass diese Interaktionen weitgehend vom elektrostatischen Potenzial der Proteine abhängen (Abb. 2). Die Interaktion der Co-Rezeptoren mit dem HIV Hüllprotein muss denselben Regeln folgen. Das elektrostatische Potenzial des HIV Hüllproteins wird negativer, wenn das Protein glykosiliert wird, d. h. wenn ein Zuckermolekül an das Protein angehängt wird. Da der CCR5 Co-Rezeptor ein positiveres Potenzial (blau in der Abbildung) aufweist als der CXCR4 Co-Rezeptor, müssen die Viren, die ausschließlich an den CCR5 Co-Rezeptor binden können, folglich ein stärker glykosiliertes Hüllprotein haben.

Analyse von verschiedenen Antikörpern gegen HIV

Ein wichtiger Schritt in Richtung eines universellen Impfstoffes gegen HIV ist die Untersuchung der Eigenschaften von Antikörpern, die das Virus neutralisieren können. Um die Wirksamkeit potentieller Kandidaten zu untersuchen, werden im Labor Tests durchgeführt, die zeigen, welche HIV-Stämme von einem bestimmten Antikörper neutralisiert werden können. Hierzu werden Virenstämme verwendet, die die Diversität der verschiedenen in der Welt vorkommenden Varianten so gut wie möglich abdecken. Forscher am Max-Planck-Institut für Informatik haben jetzt allerdings gezeigt, dass bestimmte Virenstämme in diesem Zusammenhang weniger wichtig sind als andere und dass bestimmte Antikörper gerade diese Stämme, die nicht relevant sind, nicht gut neutralisieren können. Dies führt dazu, dass diese Antikörper in den Bewertungen schlechter dastehen, als sie eigentlich sind. Die Forschungsergebnisse können dazu beitragen, die Antikörpertests zu verbessern und sind damit ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung eines universell einsetzbaren Impfstoffes gegen HIV.

Zusammenfassung und Ausblick

Trotz mehr als 25 Jahren Forschung stellt HIV weltweit weiterhin ein bedeutendes Gesundheitsrisiko dar. Viele Therapien sind dazu geeignet, an den verschiedenen Schritten seines Vervielfältigungszyklus das Virus zu unterdrücken, doch können sie den Patienten von dem Virus nicht komplett befreien.

Forscher am Max-Planck-Institut für Informatik haben durch ihre Forschung dazu beigetragen, die Auswahl der Medikamente patienten-spezifisch zu verbessern. Zudem haben sie durch die Analyse der strukturellen Eigenschaften eines HIV-Proteins dazu beigetragen, den Eintrittsmechanismus des Virus besser zu verstehen, was zu neuen Behandlungsmethoden führen kann. Die Analyse von Antikörpertests zeigt zudem, wie solche Tests verbessert werden können und leistet damit einen wichtigen Beitrag zur HIV-Impfstoffforschung. Die Forscher planen, weiterhin nach neuen Möglichkeiten zu suchen HIV zu bekämpfen, damit eines Tages HIV keine Bedrohung mehr für den Menschen darstellt.

Literaturhinweise

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Broad and potent neutralizing antibodies from an African donor reveal a new HIV-1 vaccine target
Science 326, 285-289 (2009)
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Klein, F.; Halper-Stromberg, A.; Horwitz, J. A.; Gruell, H.; Scheid, J. F.; Bournazos, S.; Mouquet, H.; Spatz, L. A.; Diskin, R.; Abadir, A.; Zang, T.; Dorner, M.; Billerbeck, E.; Labitt, R. N.; Gaebler, C.; Marcovecchio, P. M.; Incesu, R.-B.; Eisenreich, T. R.; Bieniasz, P. D.; Seaman, M. S.; Bjorkman, P. J.; Ravetch, J. V.; Ploss, A.; Nussenzweig, M. C.
HIV therapy by a combination of broadly neutralizing antibodies in humanized mice
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Geno2pheno[454]: A Web server for the prediction of HIV-1 coreceptor usage from next-generation sequencing data
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