Hur HIV-1 värjer sig från neutraliserande antikroppar:
IMPLIKATIONER FÖR VACCINUTVECKLING
Förmågan att känna igen och binda främmande strukturer (antigen) är grunden för den
adaptiva immuniteten där huvudrollsinnehavarna är våra T- och B-celler. Dessa två celltyper
samverkar i kroppens ständiga arbete att kontrollera infektioner och skydda oss mot
nyinfektion av mikroorganismer vi tidigare exponerats för. De flesta förebyggande vaccin
vi har idag fungerar genom att stimulera kroppens B-celler att producera skyddande
antikroppar. Vårt immunsystem har kapacitet att, med stor precision, producera antikroppar
mot vilka främmande strukturer som helst. Men vissa virus, exempelvis HIV-1, har utvecklat
avancerade mekanismer för att värja sig från antikroppar, vilket ställer höga krav på
vaccinutvecklingen. Här beskriver vi fem av de viktigaste skyddsmekanismerna.
CHRISTOPHER ERIKSSON
DOKTORAND,
AVDELNINGEN FÖR VIROLOGI,
SMITTSKYDDSINSTITUTET, SOLNA,
INSTITUTIONEN FÖR MIKROBIOLOGI,
TUMÖR- OCH CELLBIOLOGI, KAROLINSKA
INSTITUTET, STOCKHOLM
[email protected]
MATTIAS FORSELL
DOKTORAND,
AVDELNINGEN FÖR VIROLOGI,
SMITTSKYDDSINSTITUTET, SOLNA,
INSTITUTIONEN FÖR MIKROBIOLOGI,
TUMÖR- OCH CELLBIOLOGI, KAROLINSKA
INSTITUTET, STOCKHOLM,
VACCINE RESEARCH CENTER, NATIONAL
INSTITUTES OF HEALTH, BETHESDA, USA.
[email protected]
GUNILLA KARLSSON HEDESTAM
DOCENT,
AVDELNINGEN FÖR VIROLOGI,
SMITTSKYDDSINSTITUTET, SOLNA,
INSTITUTIONEN FÖR MIKROBIOLOGI,
TUMÖR- OCH CELLBIOLOGI, KAROLINSKA
INSTITUTET, STOCKHOLM
[email protected]
4Upptäckten att skyddande immunitet kan stimuleras genom vaccination
är ett av det viktigaste medicinska
genombrotten som gjorts. Genom
vaccination kan vi i bästa fall utveckla
livslång immunitet utan att ha utsatts
för en sjukdomsframkallande natur-
FIGUR 1
HIV-1’s höljeprotein består av tre gp120 (blåa) och tre gp41 (bruna) molekyler som sitter
ihop som en trimer. Den exponerade ytan av trimeren består till stor del av variabla strukturer (V1-V3) som gömmer CCR5-bindningsytan (ljusorange). Ytan som binder CD4 är delvis exponerad (ljusgrön). Gp41 förankrar trimeren i virusmembranet. Höjeproteinen är även
täckta av sockerkedjor, vilka bildar en skyddande sköld för viruset, men har här plockats
bort och illustreras istället i figur 5, del 3.
lig infektion. Vaccinationer bidrar till
den allmänna folkhälsan, till exempel
genom barnvaccinationsprogrammet och vaccination mot den årliga
influensainfektionen. Det saknas dock
fortfarande vaccin mot flera livshotande virussjukdomar. Till exempel
finns det, trots mycket intesiv forskning, inget skyddande vaccin mot
Humant Immunbristvirus typ 1 (HIV1), en infektion som över 40 miljoner
människor världen över lever med
idag. Inför World AIDS Day 1 decem-
ber 2007 är det därför aktuellt att
summera vår kunskap runt problematiken att utveckla ett vaccin som stimulerar bildning av skyddande antikroppar mot HIV-1 och beskriva de olika
mekanismerna viruset har utvecklat
för att värja sig mot antikroppar.
HIV-1: höljeproteiner och receptorer
HIV-1 är ett retrovirus vilket innebär
att det, vid infektion, omvandlar sin
genetiska kod från RNA till DNA.
Därefter inkorporeras virusets DNA 8
INCITAMENT 7/2007
535
FIGUR 2
HIV-1 binder först till CD4 (grön) med hjälp
av gp120. Det leder till en strukturförändring som exponerar CCR5-bindningsytan
(ljusorange) så att CCR5 (orange) kan
binda, vilket i sin tur leder till att viruset
kan fusera med cellen och inkorporera sin
arvsmassa bland cellens. För att förtydliga
dessa processer har V1-V3 och sockerkedjorna plockats bort från bilden.
FIGUR 3
Strukturmodell av gp120 som de ser ut efter att CD4 bundit baserad på röntgenkristallografidata. De tre olika gp120 molekylerna
(blå nyanser) bildar en trimer. Den yta som binder CD4 är färgad
ljusgrön och den yta som binder CCR5 är färgad ljusorange. Sockerkedjor som döljer stora delar av gp120 är grå. (Bilden har gjorts
med hjälp av data från Leo Kong, Vaccine Research Center, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA).
i cellens arvsmassa vilket permanent
etablerar viruset i värdcellen. Från
cellkärnan kan virusets DNA sen
styra cellen att aktivt producera nya
viruspartiklar. Det kan också ligga
passivt utan att göra någon märkbar
skada och kan på så sätt gömma sig
i kroppen under den infekterande
personens resterande livstid.
HIV-1 infekterar huvudsakligen den
typ av vita blodceller, så kallade
T-hjälparceller, som normalt koordinerar immunförsvaret. De flesta
HIV-1-infekterade T-hjälparcellerna
dör och detta är huvudorsaken till
att immunbrist och AIDS utvecklas i
infektionens slutskede. HIV-1 infekterar celler genom att binda till två
receptorer; den primära receptorn,
CD4, och den sekundära receptorn
536
INCITAMENT 7/2007
FIGUR 4
Neutraliserande antikroppar blockerar virusets förmåga att infektera nya celler, till exempel genom att stoppa viruset från att binda
målcellens receptorer.
CCR5. Receptorinbindningen sker
stegvis och är helt och hållet beroende av virusets höljeproteiner, gp120
och gp41 (Figur 1). Varje funktionellt
höljeprotein består av tre gp120 molekyler som är associerade med tre
gp41 molekyler i en trimer som sitter
infogat i virusmembranet. Det är de
funktionella trimererna som viruset
använder för att infektera sin målcell.
Termen ”funktionell trimer” är en
nyckelterm när man talar om skyddande antikroppar mot HIV-1 som vi
återkommer till senare.
När viruset hittar en målcell binder
gp120 först till CD4. Detta leder till en
strukturförändring varvid den del av
gp120 som ska binda till CCR5 exponeras. Bindning av gp120 till CCR5
leder sedan till ytterligare en struktur-
förändring i virusets höljeproteiner,
denna gång i gp41, vilket resulterar
i en sammanslagning mellan virusmembranet och målcellens membran,
så kallad fusion (Figur 2). Efter fusionen kan den infekterade cellen börja
producera nya virus.
Det vi idag vet om höljeproteinens
strukturförändringar vid receptorbindning har vi framförallt lärt oss
genom biokemiska och funktionella
studier av höljeproteinen. Stora delar
av gp120 och gp41 har också strukturbestämts på atomnivå med hjälp
av röntgenkristallografi och vi har nu
en detaljerad bild av höljeproteinen
där vi kan se vilka regioner av gp120
som binder CD4 respektive CCR5 [1,
2] (Figur 3). Denna visar också att
stora delar av viruset är täckt av sockerkedjor (glykaner) som plockats upp
från värdcellen. Dessa döljer ytor som
annars skulle kännas igen av antikroppar.
FIGUR 5
HIV-1 har flera skyddsmekanismer för att inte kännas igen av antikroppar.
Antikroppar mot HIV-1
Vid en virusinfektion stimuleras oftast
ett starkt antikroppssvar, så även vid
HIV-1-infektion. Dessa antikroppar
har flera funktioner som att blockera
infektion av celler (neutraliserande
antikroppar) eller att aktivera cellulära funktioner för eliminering och
nedbrytning av viruspartiklar (opsonering och fagocytos). Definitionen
av en neutraliserande antikropp är
en antikropp som förhindrar att ett
virus infekterar sin målcell. Klassiska
neutraliserande antikroppar binder
därför till virusets höljeprotein (inga
andra virusproteiner är exponerade
på virusets yta) och blockerar dess
förmåga att binda till målcellen (Figur
4). Neutraliserande antikroppar bidrar
till den skyddande effekten hos de
flesta vaccin som finns i kliniken idag.
Men en virusinfektion stimulerar
också kroppen till att producera en
mängd antikroppar som inte ger
någon skyddande effekt. Detta är ett
av de grundläggande problemen vid
HIV-1 infektion. Under de dryga två
årtionden som gått sedan upptäckten
av HIV-1 har det visats att väldigt få
antikroppar som stimuleras vid naturlig infektion är neutraliserande. Tvärtom binder de flesta antikroppar delar
av gp120 eller gp41 som inte är exponerade på den ”funktionella trimeren”
och de kan därför inte blockera virusinfektion (sammanfattat i [3, 4]). Vid
ett fåtal tillfällen har man dock identifierat HIV-1-infekterade personer som
har antikroppar som kan blockera
infektion mot flera olika HIV-1 varianter [5], så kallade brett neutraliserande antikroppar. Det är bildningen
av sådana antikroppar som ett HIV-1
vaccin bör kunna stimulera till för att
vara effektivt. Studier har visat att brett
neutraliserande antikroppar binder till
regioner på gp120 eller gp41 som inte
tolererar mutationer, till exempel den
yta som binder till CD4 och en viss del
av gp41. Brett neutraliserande antikroppar har visats kunna skydda apor
mot infektion med ett HIV-1-liknande
virus och detta indikerar att sådana
antikroppar också skulle kunna
skydda människor om de kan stimu- 8
1. GENETISK VARIABILITET: Virus muterar kontinuerligt och de virus som inte känns igen av
antikroppar selekteras fram. Kroppen bildar då nya antikroppar som känner igen den
muterade virusvarianten, varvid viruset muterar igen för att undkomma de nya antikropparna.
2. INSTABIL INTERAKTION MELLAN GP120 OCH GP41: gp120 faller lätt av trimeren och detta exponerar ytor (röda) som normalt är dolda på insidan av den funktionella trimeren. Antikroppar som binder dessa ytor kan inte neutralisera virusinfektion.
3. GLYKOSYLERING: En stor del av gp120 är dold av en sköld av sockerkedjor (brun). Om en
yta exponeras så att en antikropp kan känna igen den muterar viruset så att skölden
flyttas och döljer den nya ytan.
4. DYNAMISK STRUKTUR: Gp120
är väldigt flexibel vilket får till
följd att det är svårt för immunförsvaret att producera
antikroppar som binder till
viruset tillräckligt hårt.
5. TILLFÄLLIGT EXPONERADE YTOR: Den konserverade CCR5-bindningsytan på gp120 (ljusorange) är dold innan CD4 binder. När viruset
bundit CD4 är det för sent att neutralisera
infektionen och antikroppar som binder
denna yta är därför ineffektiva.
INCITAMENT 7/2007
537
leras fram genom vaccination. För att
förstå hur man kan utveckla ett vaccin
som stimulerar brett neutraliserande
antikroppar är det viktigt att känna till
vilka skyddsmekanismer HIV-1 har
utvecklat för att undgå antikroppsneutralisation.
Fem skyddsmekanismer
HIV-1 har flera olika mekanismer som
skyddar dem mot neutraliserande
antikroppar. Vi har valt att beskriva
fem av de viktigaste mekanismerna
(Figur 5).
1. GENETISK VARIABILITET
Den mest välbeskrivna mekanismen
som HIV-1 använder för att värja sig
mot neutraliserande antikroppar
är genom att kontinuerligt mutera.
På gp120 finns variabla strukturer
som effektivt stimulerar bildning av
antikroppar. Tyvärr tolererar dessa
strukturer också ovanligt många
mutationer utan att bindningsförmågan till cellen förändras. Viruspopulationen kan således alltid anpassa
sig och selektera fram nya varianter
där antikropparna inte längre kan
binda viruset. Det krävs därför nya
antikroppar för varje ny variant och
detta fortsätter under hela infektionen
(Figur 5, del 1).
2. INSTABIL INTERAKTION
MELLAN GP120 OCH GP41
En annan skyddsmekanism HIV-1
har utvecklat för att lura immunförsvaret är att låta interaktionen mellan
gp41 och gp120 i virusets hölje vara
instabil. Monomerer av gp120 lossnar
därför lätt från viruset vilket gör att
ytor som inte exponeras på den funktionella trimeren nu stimulerar bildning av antikroppar. Ett exempel på
detta är antikroppar som binder till
ytor som pekar inåt i trimeren (illustrerat som en röd yta i gp120 i Figur
5, del 2). Sådana antikroppar kan inte
binda den funktionella trimeren på
själva viruset och de har därför ingen
skyddande effekt mot infektionen.
3. GLYKOSYLERING
Stora delar av gp120 och gp41 är
glykosylerade, dvs de bär på sockerkedjor som sitter fast i proteinen.
Sockerkedjorna är producerade av
den infekterade cellens eget maskineri och de kommer därför inte att
538
INCITAMENT 7/2007
kännas igen av immunförsvaret.
Glykosyleringen är därför ett effektivt sätt för viruset att gömma strukturer som annars skulle stimulera
antikroppsbildning. Likt de variabla
strukturerna vi beskrivit tidigare
ändras viruset kontinuerligt och positionerar sina sockerkedjor på olika
sätt för att värja sig från igenkänning
av existerande antikroppar (Figur 5,
del 3).
4. DYNAMISK STRUKTUR
Ett ytterligare bidrag till problemet
med att stimulera bildning av neutraliserande antikroppar är att gp120
innehar en hög grad av strukturell
flexibilitet och hela tiden varierar
mellan många snarlika men ickeidentiska former. Troligen är även
detta en skyddsmekanism som har
utvecklats för att vilseleda antikroppssvaret (Figur 5, del 4). Flexibiliteten
gör att antikroppar måste binda ovanligt hårt för att sitta kvar tillräckligt
länge för att blockera infektion av nya
celler och det är svårt för kroppen att
producera sådana antikroppar.
5. TILLFÄLLIGT EXPONERADE YTOR
Som vi nämnt ovan genomgår gp120
en betydlig strukturförändring när det
bundits till CD4, vilken leder till att
den yta på gp120 som binder CCR5
exponeras. Vid CD4 bindning stabiliseras också gp120 och ändrar form
så att viruset kommer åt CCR5 (Figur
5E). Troligen har HIV-1 utvecklats att
binda CD4 först och sedan exponera
sin CCR5 bindande yta väldigt tillfälligt för att undvika att neutraliserande
antikroppar binder ytan innan viruset
har hittat sin målcell.
Vaccinkoncept
I februari 2003 rapporterade företaget
Vaxgen Inc. att dess HIV-1 vaccinkandidat, en av de första som testats
i människa, inte skyddade mot HIV-1
infektion. Vaccinet, som var baserat
på monomeriskt gp120, stimulerade
inte brett neutraliserande antikroppar
och de kunde därför inte skydda mot
alla olika HIV-1 varianter man kan
exponeras mot. Med dagens kunskap
kan resultatet förklaras genom de
mekanismer vi just beskrivit. Nyligen
avbröts också ett stort kliniskt försök
som drevs av läkemedelsföretaget
Merck med stöd av USA’s National
Institutes of Health. Mercks vaccinkandidat var avsett att stimulera kroppens T celler men då inget skydd
kunde påvisas valde man att avsluta
försöket. Dessa misslyckade försök
visar på svårigheten med att tillverka
ett HIV-1 vaccin men det ska inte
tolkas som att det är omöjligt. Framtida försök kommer troligen att fokusera på vaccinkandidater som stimulerar både antikroppar och T cellsimmunitet, där den största utmaningen
ligger i att stimulera antikroppar som
är brett neutraliserande. Utifrån den
kunskap om viruset vi har idag bör
det vara möjligt att tillverka vaccinkandidater som har de rätta egenskaperna. Ett exempel är att använda
lösliga gp120-gp41 trimerer vilka är
konstruerade för att härma strukturen
på den funktionella trimeren. Lösliga
trimerer består av tre gp120 monomerer och tre (partiella) gp41 monomerer som är stabiliserade som en
trimer. Denna konstruktion minimerar exponering av ytor på insidan av
trimeren och minskar risken att ickeneutraliserande antikroppar produceras. Genom att modifiera de lösliga
trimererna ytterligare försöker man
optimera vaccinet så att det stimulerar
antikroppar mot den konserverade
CD4 bindande ytan, eftersom sådana
antikroppar förväntas ha bred neutraliserande aktivitet. Genom en iterativ
process där olika rationella modifieringar av de lösliga trimererna kombineras och utvärderas hoppas man
kunna producera vaccinkandidater
som är effektiva nog för att testas i
kliniska försök.
Sammanfattning
I den här artikeln har vi beskrivit flera
mekanismer HIV-1 har utvecklat för
att värja sig från antikroppar under
naturlig infektion och hur det har
resulterat i ett ovanligt motståndskraftigt virus. Flera av dessa mekanismer
bidrar till svårigheten att utveckla ett
vaccin. Virusets förmåga att skydda
sig mot antikroppar kan förklaras
av dess till synes oändliga förmåga
att generera nya varianter genom
mutation vilket i sin tur leder till en
kontinuerlig selektion av virus som
inte längre känns igen av kroppens
immunförsvar. Trots detta finns bevis
för att skyddande, brett neutraliserande antikroppar i vissa fall kan
produceras vid naturlig infektion; kroppen har alltså
kapacitet att producera sådana antikroppar om den
bara stimuleras på rätt sätt. Kunskap om virusets höljeproteiner gp120 och gp41, samt en förståelse för hur
olika antikroppar binder till dessa, är därför det första
steget mot att lyckas tillverka ett effektivt vaccin.9
Författarna tackar Ulla Bredberg, Karolinska Institutet,
för goda råd och språkgranskning.
Referenser:
1. Kwong, P. D., R. Wyatt, J. Robinson, R. W. Sweet, J.
Sodroski, and W. A. Hendrickson. 1998. Structure of an
HIV gp120
2. Wyatt, R., and J. Sodroski. 1998. The HIV-1 envelope
glycoproteins: fusogens, antigens, and immunogens.
Science 280: 1884-1888.
3. Burton, D. R., R. C. Desrosiers, R. W. Doms, W. C.
Koff, P. D. Kwong, J. P. Moore, G. J. Nabel, J. Sodroski, I.
A. Wilson, and R. T. Wyatt. 2004. HIV vaccine design
and the neutralizing antibody problem. Nat Immunol
5:233-236.
4. Pantophlet, R., and D. R. Burton. 2006. GP120:
target for neutralizing HIV-1 antibodies. Annu Rev
Immunol 24:739-769.
5. Li, Y., S. A. Migueles, B. Welcher, K. Svehla, A. Phogat,
M. K. Louder, X. Wu, G. M. Shaw, M. Connors, R. T.
Wyatt, and J. R. Mascola. 2007. Broad HIV-1 neutralization mediated by CD4-binding site antibodies. Nat
Med 13:1032-1034.
mabs-medicinska
stödstrumpor kkl1
®
mabs Bomull
– i det långa loppet
Rekommenderas som förstahandsval
i de svenska behandlingsriktlinjerna*
Epivir & Ziagen i en tablett för kombinationsbehandling
av hivinfektion hos vuxna & barn (<12 år).
Biverkningsprofil enligt de ingående substanserna
Epivir (lamivudin) + Ziagen (abacavir) samt klassdefinierad (NRTI).
En fast kombination: 30 tabletter, 300 mg lamivudin +
600 mg abacavir, i burk.
®
mabs Tunn
Produktresumé se
www.fass.se
www.hivrapport.nu
mabs Förbandsstrumpa
®
mabs Benjamin
Påtagningshjälpmedel
Endast
hopen
I webs
mabs säljs på
webshop: www.mabs.se
*“Antiretroviral behandling av HIV-infektion 2007, uppdaterad
version – Behandlingsrekommendation” finns på www.rav.nu
RAV (Referensgruppen för AntiViral terapi) är en oberoende
expertgrupp vars styrelseledamöter utses av
Svenska Läkaresällskapet och Smittskyddsinstitutet.
GlaxoSmithKline AB, Råsundavägen 12, Box 516, 169 29 SOLNA,
Tel 08 - 638 93 00, www.glaxosmithkline.se, [email protected]
INCITAMENT 7/2007
GSK 09/2007
®
539
