索尔克研究所的研究人员与美国国立卫生研究院 (NIH) 的科学家合作，发现了人类免疫缺陷病毒 (HIV) 对多替拉韦 (DTG) 产生耐药性的分子机制，多替拉韦 (DTG) 是一种整合酶 (IN) 链转移抑制剂 (INSTI)，是临床上用于治疗 HIV 感染的最有效的抗病毒疗法之一。
这项新报告的研究使用冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 等技术来评估 HIV 变异体与突变整合酶的药物结合，揭示了整合酶 3D 结构的变化如何导致多替拉韦耐药性，并表明其他化合物如何能够克服这种耐药性。
“对于艾滋病毒，人们必须比病毒提前两步，”索尔克副教授、赫斯特基金会发展主席、该团队在《科学进展》上发表的论文的共同高级作者德米特里·柳姆基斯（Lyumkis）博士说。“我们现在已经确定了病毒如何针对多替拉韦等药物继续进化，这对于未来治疗方法的开发来说非常重要。” Lyumkis 及其同事在一篇题为“ HIV-1 整合酶对多替拉韦耐药的机制和耐药变异的有效抑制机制”的论文中描述了他们的发现。该团队在论文中得出结论：“总的来说，这些数据提供了对耐药性及其颠覆的机制见解，并将为设计具有改善耐药性的 INSTI 提供更直接的途径。”
HIV感染取决于病毒将自身遗传物质粘贴到人体细胞基因组中的能力，本质上是劫持细胞成为病毒生产工厂。多替拉韦和相关药物通过阻断病毒酶整合酶发挥作用，这对于病毒将自身 DNA 整合到宿主基因组中的能力至关重要。病毒整合过程的一部分发生在称为整合体的结构中。作者写道：“整合体物种的形成以及整合体介导的病毒 DNA (vDNA) 插入宿主基因组是病毒复制周期中的重要步骤。” 如果没有发挥作用的整合酶，艾滋病毒就无法有效感染人体细胞。然而，HIV 是一种快速变异的病毒，越来越多的 HIV 毒株对多替拉韦产生耐药性。
Lyumkis 的实验室此前曾报告过附着在 DNA 上的整合酶蛋白的 3D 结构，并 准确地发现了多替拉韦等药物如何结合并阻断整合酶。但研究人员仍然不确定当病毒停止对多替拉韦做出反应时整合酶结构如何变化。在新报告的研究中，Lyumkis 和 NIH 合作者创建了具有突变组合（E138K、G140A/S 和 Q148H/K/R）的整合酶蛋白版本，已知这些突变使 HIV 对多替拉韦产生耐药性。然后，他们确定了每个突变整合酶的结构，使用冷冻电镜技术显示与 DTG 结合的耐药 HIV-1 嵌体的结构，并揭示了为什么多替拉韦不能再阻断具有这些耐药突变 (DRM) 的蛋白质版本。“我们努力了解突变 E138K + G140A/S + Q148H/K/R 的影响，揭示了 DTG 抑制某些复杂 DRM 能力的具体弱点……这些结构辅以自由模拟、病毒学和酶学，解释涉及 E138K + G140A/S + Q148H/K/R 的 DTG 抗性机制，并说明为什么 4d 比 DTG 能更好地保持效力。” Lyumkis 补充道：“我们对这些整合酶变体的耐药性程度感到非常惊讶。多替拉韦的作用能力完全受到损害。”
他们还评估了病毒的“适应性”（其产生传染性后代的能力）和酶的活性，以更好地了解导致患者耐药性的原因。
研究人员分别测试了一种实验性 HIV 药物 4d 阻断多替拉韦耐药整合酶蛋白功能的功效。4d 由 Lyumkis 在 NIH 的合作者开发，作为下一代整合酶靶向药物，目前正在进行临床前测试。在刚刚发布的研究中，在所有变体中，4d 仍然有效地阻止了 HIV 将其基因整合到人类细胞中的能力。这表明该化合物的 4d 或变体可有效用于治疗对多替拉韦产生耐药性的患者的病毒。
对于 4D 如何与多替拉韦耐药整合酶蛋白之间的结构数据，我们从中也探寻到了新药如何克服耐药性的线索。尽管 4D 仅是一个如何对抗耐药性的案例，但它为我们展示了一套基本的对抗策略。国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所（NIDDK）的共同高级作者 Robert Craigie 博士说：“4D 分子的一部分，就如同一块平板，被巧妙地堆叠在整合酶蛋白质之上，而这一模式其实能在其他化合物中复制。” 作者进一步强调，
随后，科学家们将进一步深入探索整合酶变体的进化历程——涵盖那些尚未在患者中出现但未来可能显现的变体——以及它们在何种程度上影响了患者对最佳临床药物使用的反应，同时，也将审视HIV病毒感染人体的能力。他们强调：“我们的目标之一在于探究为何某些化合物（比如4d）能在抗击关键DRM方面展现出比已获批药物更优异的表现。借助于结构、生化、病毒学和计算等多学科的深度分析，或许能够揭示哪些化合物能够取得显著成效，而非其他化合物。”
这种深度理解将成为设计新一代INSTI（即“抑制剂联合疗法”）的重要步骤，新一代INSTI不仅能在效力方面有所突破，还能在更广泛的药物靶点中体现其普适性。在审视他们新发布的数据时，这个研究团队表示：“结构和模拟的综合运用，为我们提供了在原子级别上理解，当DTG结合时，如何通过E138K/G140A/Q148K通路中的突变，在局部观察到通路变化的框架。”
期刊参考：DOI：10.1126/sciadv.adg5953