HIV-1のアロステリックインテグラーゼ阻害剤に対するコンフォメーションエスケープ反応

A conformational escape reaction of HIV-1 against an allosteric integrase inhibitor.

• Tomofumi Nakamura
• Teruya Nakamura
• Masayuki Amano
• Toshikazu Miyakawa
• Yuriko Yamagata
• Masao Matsuoka
• Hirotomo Nakata

抄録

HIV-1は、抗レトロウイルス療法（ART）の恩恵を受けているにもかかわらず、しばしば薬剤耐性変異を獲得する。HIV-1インテグラーゼ（IN）は、HIV-1 DNAの宿主ゲノムへの協調的な統合に不可欠である。INはさらに、HIV-1の成熟に必要なHIV-1 RNA結合にも寄与しています。INは、初期にはIN-LEDGF/p75相互作用を阻害し、後期には機能的なINの多量化を阻害するなど、マルチモーダルな作用機序で抗HIV-1活性を発揮するアロステリックIN阻害剤として、非触媒的サイトインテグラーゼ阻害剤（NCINIs）が開発されている。ここでは、INがNCINIから逃れるために適応的な構造変化を起こすことを示した。NCINI耐性HIV-1変異体は、INをコードする領域の通路26（P26）までに4つのアミノ酸（AA）変異を蓄積していることを観察した。我々は、HPLC、熱安定性アッセイ、X線結晶構造解析を用いて、いくつかのAA変異がIN触媒コアドメイン（CCD）の安定性や二量化界面に影響を与え、完全長INタンパク質の多量化が著しく低下することを示した（INアンダー多量化）。このＮＣＩＮＩ関連変異を介したＩＮの過少多量化は、ＨＩＶ-１ ＲＮＡによって安定化され、ウイルス粒子中でＨＩＶ-１野生型と同じレベルに復元された。また、INが過少多量体化された組換えHIV-1クローンは、HIV-1野生型と同様に増殖した。本研究により、HIV-1はNCINIによるIN過多多量化に対抗するために、IN過少多量化を脱出機構の一つとして利用することが可能であることが明らかになった。これらの知見は、HIV-1 RNAの有無にかかわらず、INの多量化の理解に役立つ情報を提供し、抗HIV-1戦略の開発に影響を与える可能性がある。抗HIV-1薬に対するHIV-1抵抗性のメカニズムを理解することは、より効率的な新薬の開発につながり、より効果的なARTの開発につながると考えられる。より強力で長時間作用する抗HIV-1薬で構成されたARTは、服薬アドヒアランスを大幅に向上させ、曝露前予防などのHIV-1予防にもつながると考えられる。マルチモーダル作用を有するNCINIsは、HIV-1の成熟期にINが過剰に多量化することで強力な抗HIV-1効果を発揮する。しかし，HIV-1は，NCINIによるINの過剰多量化を緩和するために，INの過少多量化を引き起こすいくつかの変異を獲得することができる。このINの過少多量化は、HIV-1 RNAによって効率的に安定化され、HIV-1野生型と同じレベルにまで回復した。その結果、HIV-1は最終的にこのようなコンフォメーションエスケープ反応を獲得し、NCINIの特異的な作用を克服していることが明らかになった。HIV-1タンパク質の多量化に伴う薬剤耐性変異の解明は、その分子機構や機能的多量化の解明を促進し、より強力な抗HIV-1薬の開発やユニークな治療法の開発を可能にする可能性がある。

HIV-1 often acquires drug-resistant mutations in spite of the benefits of antiretroviral therapy (ART). HIV-1 integrase (IN) is essential for concerted integration of HIV-1 DNA into the host genome. IN further contributes to HIV-1 RNA binding, which is required for HIV-1 maturation. Non-catalytic site integrase inhibitors (NCINIs) have been developed as allosteric IN inhibitors, which performs anti-HIV-1 activity by a multimodal mode of action such as inhibition of IN-LEDGF/p75 interaction in the early stage and disruption of functional IN multimerization in the late stage of HIV-1 replication. Here, we show that IN undergoes an adaptable conformational change to escape from NCINIs. We observed that NCINI-resistant HIV-1 variants have accumulated four amino acid (AA) mutations by passage 26 (P26) in the IN-encoding region. We employed HPLC, thermal stability assay, and X-ray crystallographic analysis to show that some AA mutations affect the stability and/or dimerization interface of the IN catalytic core domains (CCD), potentially resulting in severely decreased multimerization of full-length IN proteins (IN under-multimerization). This under-multimerized IN via the NCINI-related mutations was stabilized by HIV-1 RNA and restored to the same level as HIV-1 wild type in the viral particles. Recombinant HIV-1 clones with IN under-multimerization propagated similarly as HIV-1 wild type. Our study revealed that HIV-1 can eventually countervail NCINI-induced IN over-multimerization by IN under-multimerization as one of the escape mechanisms. Our findings provide information on the understanding of IN multimerization with or without HIV-1 RNA and may influence the development of anti-HIV-1 strategies. Understanding the mechanism of HIV-1 resistance to anti-HIV-1 drugs would lead to the development of novel drugs with increased efficiency, resulting in more effective ART. ART composed of more potent and long-acting anti-HIV-1 drugs can greatly improve drug adherence and also provide HIV-1 prevention such as pre-exposure prophylaxis. NCINIs with the multimodal mode of action exert potent anti-HIV-1 effects through IN over-multimerization during HIV-1 maturation. However, HIV-1 can acquire some mutations which cause IN under-multimerization to alleviate NCINI-induced IN over-multimerization. This under-multimerized IN was efficiently stabilized by HIV-1 RNA and restored to the same level as HIV-1 wild type. Our findings revealed that HIV-1 eventually acquires such conformational escape reaction to overcome the unique NCINI actions. The investigation into the drug-resistant mutations associated with HIV-1 protein multimerization may facilitate the elucidation of its molecular mechanism and functional multimerization, allowing us to develop more potent anti-HIV-1 drugs and unique treatment strategies.

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