La belleza de la bestia (el virus VIH)

Arquitectura de la cápside del VIH maduro. (a) Modelo de la cápside, (b) estructura del hexámero formado por los dominios CA de la proteína Gag y (c) ampliación de la zona recuadrada en (a), para mostrar la geometría hexamérica. Tomado de Yeager, 2011

En el mundo de los virus abundan estructuras de una belleza y armonía difíciles de igualar en la naturaleza. Algunas de las cápsides que protegen a los virus y envuelven el material genético, presentan una morfología que se asemeja a la forma cristalina de algunos minerales que llamamos piedras preciosas. Esas cápsides están formadas por proteínas denominadas capsómeros, las cuales se asocian y se ensamblan siguiendo una estructura particular para cada grupo de virus.

El virus VIH es un retrovirus con una cápside cónica que ya describí en el artículo que titulé Viajando al corazón del VIH. El conocimiento de las proteínas internas del virus, así como el mecanismo de ensamblaje de las mismas durante el proceso infectivo, es importante ya que puede permitir el desarrollo de drogas que bloqueen ese paso fundamental en el ciclo vital del VIH.

El VIH posee una envuelta, la cápside proteica aparece rodeada de una membrana, pertenece a esa clase de virus que al salir de la célula toma una parte de la membrana plasmática de la célula huésped a la que añade proteínas del propio virus. En este caso la envuelta queda rodeada por unas 10 unidades de proteína Env víricas (figura 1).

Figura 1: Organización de las partículas inmaduras y maduras del VIH. (a) Estructura tridimensional de la proteína Gag. Cada dominio aparece de un color, que se emplea para detallar su posición en los esquemas de la derecha. Modelos esquemáticos de la forma inmadura (b) y madura (c) de los viriones. Imágenes de formas inmaduras (d) y maduras (e) del VIH obtenidas por crioelectromicroscopía electrónica. Tomado de Yeager y col., 2011

El ensamblaje de la cápside lo lleva a cabo la proteína Gag del VIH, la cual se basta para formar partículas no infecciosas (llamadas VLPs) y que han sido empleadas en ingeniería genética y terapia génica, tal y como mostraré en otro artículo. Gag es una proteína muy compleja, siendo ortóloga de otras proteínas de la cápside de retrovirus tales como el Mo-MLV, responsable de la leucemia de ratón, o MPMV de monos.

Figura 2: (a) Morfología de las cápsides de los retrovirus obtenidas por microscopía electrónica, virus Mo-MLV (izquierda), MPMV (centro) y HIV-1 (derecha). (b) Modelos correspondientes a la geometría de las cápsides donde se repite una estructura hexagonal formada por la subunidad CA de la proteína Gag. Tomado de Yeager y col., 2011

La proteína Gag es muy compleja, posee varios dominios, de los que destacan el dominio MA que queda unido a la cara interna de la membrana plasmática, CA, que forma parte de la cápside y NC que interacciona con el RNA del interior de la cápsidera (Fig 1). En el interior de la envuelta quedan encerradas proteínas víricas, tanto las que forman parte estructural de la cápside como aquellas que son necesarias para la maduración de ésta (por ejemplo la proteasa) o implicadas en la replicación del material genético (retrotranscriptasa) y de integrarlo en el genoma de la célula huésped (integrasa), así como el RNA, dos moléculas de cadena sencilla de cerca de 10.000 nucleótidos de longitud cada una. Además también se empaquetan proteínas celulares como la actina o la ciclifilina A, cuya función en la replicación del virus aún es desconocida.

El virus sale de la célula como partícula no infectiva, llamado virión inmaduro (figura 1), que posee la proteína Gag intacta. El paso de partícula a inmadura a madura requiere la separación en dominios de la proteína Gag por ruptura endoproteolítica catalizada por la proteasa vírica. Tras esa ruptura los dominios se reorganizan (ver figura 1) para formar la partícula madura que ya es infectiva.

Diversas técnicas han permitido establecer la morfología de la cápside del VIH. Para ello se ha empleado la cristalización del dominio CA de la proteína Gag, resolución de la estructura tridimensional por rayos X y modelado molecular con una resolución de 1.5-3.5 Å, criomicroscopía electrónica (cryoEM), una técnica de microscopía electrónica que permite una resolución de 9-20 Å de la partícula completa, así como reconstrucción “in vitro” de la cápside del virus (Figura 3).

Figura 3: Resumen del conjunto de técnicas que han conseguido establecer el modelo estructural de la cápside del VIH. Tomado de Yeager y col., 2011

Esto ha sido posible a que por una parte se ha podido monitorizar y seguir mediante microscopía electrónica el ciclo vital del virus, tal y como se observa en la figura 4.

Figura 4: Maduración del VIH. (b) Ilustración esquemática del proceso de maduración indicando el destino de cada uno de los dominios de la proteína Gag, y (b) imágenes correspondientes a cortes ultrafinos de particulas de VIH observadas por crio-microscopía electrónica, correspondientes a cada una de las etapas modeladas en (b). Código de colores: la subunidad MA de Gag en rojo, la CA en negro y la NC en verde. Tomado de Briggs y col., 2011

Además el gen gag VIH ha sido clonado y expresado en Escherichia coli lo que ha permitido obtener suficiente cantidad para cristalizarla y realizar estudios estructurales. En varios de esos estudios se ha podido comprobar la capacidad de multimerizar de la proteína “in vitro” formando estructuras circulares similares a las que aparecen en los virus inmaduros observados “in vivo” (Gross y col. 1998).

En resumen, se ha determinado las características estructurales del VIH mostrándonos que, al igual que otros virus presentan una geometría compleja no exenta de belleza.

Referencias:

– Morikawa y col. (2004) Journal of Biological Chemistry 279:3194-31972
– Briggs, J.A.G. (2011) Journal of Molecular Biology 410:491-500
– Yeager, M. (2011) Journal of Molecular Biology 410: 534-552
– Gross, I. Y col. (1998) Journal of Virology 72: 4798-4810

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