Establishing APOBEC3F as a structural target in novel antiretroviral strategies
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Abstract
HIV infection and the consequences it can have on human life is a tragic reality for millions of people. Since the discovery of HIV being the cause of AIDS in 1983 tremendous efforts have been made on the preventive, curative, palliative and therapeutic aspects of this disease. Antiretroviral therapy (ART) has made it possible to abolish fatal progression of AIDS in individuals but requires lifelong treatment adherence and can lead to the emergence of drug resistant strains necessitating ongoing efforts in search of novel therapeutic approaches. At the front line of major challenges remaining are the development of effective vaccines, the depletion of viral reservoirs by targeting latent infections and novel therapeutic strategies that can be translated into other disease scenarios outside the HIV/AIDS paradigm. Antiretroviral APOBEC3 proteins are intrinsic immune factors capable of potently restricting HIV-1 but are counteracted by the viral protein Vif. Targeting the Vif-APOBEC3 axis may lead to novel immunomodulating therapeutic approaches. In this thesis the crystal structure of the catalytically active and HIV-1 Vif binding domain of the antiretroviral host factor APOBEC3F is being described. Determinants for Vif susceptibility form a contiguous negatively charged surface. Conserved sequence motifs across APOBEC3 proteins and between APOBEC3F and Vif suggest an intriguing case of molecular mimicry between viral and host protein. These motifs participate in crystallographic contacts and determine the solution state of the APOBEC3F catalytic domain. Providing insights into Vif interaction and solution behavior will establish APOBEC3F as a structural target for novel antiretroviral strategies. High throughput cocrystallization trials are necessary during attempts at identifying binding sites of putative APOBEC3F modulating small molecules and peptides. REdiii, a fully automated pipeline encompassing every process from indexing of diffraction data to ligand placement was developed allowing fast analysis of crystallographic datasets without requiring any user input during the process. This tool leads to vast improvements in the screening process for crystals of any ligand bound protein.
Abstract
HIV Infektionen und die darausfolgenden Konsequenzen sind eine tragische Realität für Millionen von Menschen. Seit der Entdeckung von HIV als Ursache von AIDS 1983, wurden bedeutende Versuche in den präventiven, kurativen, palliativen und therapeutischen Aspekten dieser Krankheit unternommen. Antiretrovirale Therapie (ART) hat es ermöglicht, der fatalen Progression von AIDS bei Erkrankten einhalt zu bieten, erfordert aber lebenslange Einhaltung der Behandlung und kann zur Emergenz von medikamentenresistenten Stämmen führen weswegen weitergehende Bemühungen hinsichtlich der Suche nach neuen therapeutischen Ansätzen notwendig sind. An der Front der gravierendsten Herausforderungen liegen die Entwicklung effektiver Impfstoffe, die Depletion viraler Reservoirs durch gezieltes Angreifen auf latente Infektionen und neue therapeutische Strategien, die auf andere Krankheitsszenarien außerhalb des HIV/AIDS Paradigmas übertragen werden können. Antiretrovirale APOBEC3 Proteine sind intrinsische Immunfaktoren in der Lage, HIV-1 wirksam zu restringieren, werden aber vom viralen Protein Vif entgegengewirkt. Gezieltes Eingreifen in die Vif-APOBEC3 Achse kann zu neuen, immunmodulierenden therapeutischen Ansätzen führen. In dieser Schrift wird die Kristallstruktur der katalytisch aktiven und HIV-1 Vif bindenden Domäne des antiretroviralen Faktors APOBEC3F beschrieben. Determinanten der Anfälligkeit für Vif formen eine zusammenhängende negativ geladene Oberfläche. Konservierte Sequenzmotive zwischen APOBEC3 Proteinen und zwischen APOBEC3F und Vif weisen auf einen interessanten Fall von molekularem Mimikry zwischen Wirt- und Virusprotein. Diese Motive sind Teil der kristallographischen Kontakte und beeinflussen den Zustand der APOBEC3F katalytischen Domäne in Lösung. Einsichten in die Interaktion mit Vif und das Verhalten in Lösung werden APOBEC3F als ein strukturelles Ziel für neuartige antiretrovirale Strategien etablieren. Hochdurchsatz in kristallographischen Ansätzen ist notwendig während Versuchen die Bindestellen von potenziell APOBEC3F modulierenden niedermolekularen Wirkstoffen und Peptiden zu identifizieren. REdiii, eine vollautomatisierte Pipeline, die jeden einzelnen Prozess von der Indizierung von Diffraktionsdaten zur Ligandenplazierung beinhaltet, wurde entwickelt um rapide Analyse von kristallographischen Datensätzen ohne die Notwendigkeit irgendeiner Form von nutzerseitigen Eingaben während des Prozesses zu erlauben. Dieses Werkzeug führt zu einer deutlichen Verbesserung des Screeningprozesses für Kristalle von ligandengebundenen Proteinen.