La glicoproteina dell’involucro dell’HIV-1 (Env) è particolarmente importante negli sforzi di prevenzione e trattamento dell’HIV-1 perché media l’ingresso virale nelle cellule ospite. L’Env maturo è costituito da tre subunità gp120 esterne che legano il recettore della cellula bersaglio (CD4) e il corecettore (CCR5 o CXCR4), nonché tre subunità gp41 transmembrana associate in modo non covalente che mediano la fusione della membrana. Env è derivato da un precursore di gp160 sintetizzato, ripiegato, trimerizzato e glicosilato nel reticolo endoplasmatico rugoso (ER) della cellula ospite e successivamente scisso dalle proteasi simili alla furina dell’ospite nell’apparato di Golgi. I trimeri maturi transitano sulla superficie cellulare e vengono incorporati nei virioni germoglianti attraverso il compartimento di riciclaggio endosomiale. Questo Env maturo è in grado di mediare sia l’infezione senza cellule che l’infezione cellula-cellula: nella prima, i virioni rilasciati dalle cellule ospiti infette infettano le cellule bersaglio non adiacenti e non infette; in quest’ultimo, le connessioni dirette cellula-cellula chiamate sinapsi virologiche (VS) mediano la trasmissione diretta dell’HIV-1 da una cellula ospite infetta a una cellula bersaglio adiacente non infetta. Oltre a mediare l’ingresso virale, Env è l’unico antigene specifico del virus esposto sulla superficie dei virioni e delle cellule infette. Di conseguenza, è l’obiettivo principale delle risposte umorali dell’ospite, compresi gli anticorpi neutralizzanti e i meccanismi cellulo-mediati dipendenti da Fc come la citotossicità cellulare dipendente dagli anticorpi (ADCC), la fagocitosi cellulare dipendente dagli anticorpi (ADCP) e l’attivazione del complemento. Env ha sviluppato molteplici meccanismi per eludere con successo queste risposte immunitarie, tra cui un’ampia schermatura dei glicani, loop a sequenza variabile e flessibilità conformazionale. Il legame di Env al recettore CD4 della cellula bersaglio innesca una radicale ristrutturazione di Env da una conformazione “chiusa” a una “aperta” che espone il sito di legame del corecettore gp120 (CoRBS) nonché elementi critici di gp41 come la ripetizione heptad 1 (HR1) bobina e il peptide di fusione (FP). Il successivo legame del corecettore della cellula bersaglio (CCR5 o CXCR4) a Env promuove l’inserimento di FP nella membrana della cellula bersaglio, così come l’associazione di HR1 e HR2 per formare il fascio a sei eliche altamente stabile (6HB) che si ritiene mediare la fusione virale con la membrana cellulare. Recenti studi di trasferimento di energia di risonanza di fluorescenza a singola molecola (smFRET) hanno dimostrato che il trimero Env nativo, maturo, associato alla membrana è, infatti, intrinsecamente dinamico. Nella sua forma non legata, Env passa spontaneamente tra tre conformazioni di prefusione intrinseche distinte: lo stato “chiuso” (1), lo stato intermedio obbligato (2) e lo stato “aperto” (3).
Lo stato 1 rappresenta lo stato conformazionale predominante del trimero Env nativo, maturo, non legato associato alla membrana sulla particella virale. In questa conformazione, i loop variabili gp120 1 e 2 (V1/V2) oscurano la maggior parte del loop V3 all’apice del trimero mentre elementi strutturali cruciali come il CoRBS e il coiled-coil HR1 sono nascosti.
Lo stato 2 rappresenta una conformazione intermedia obbligata tra gli Stati 1 e 3. Probabilmente comprende una serie di conformazioni correlate che risiedono in un pozzo energetico locale nel paesaggio conformazionale Env trimer e sono quindi accessibili durante i cambiamenti strutturali tra gli stati 1 e 3. Il legame del recettore CD4 stabilizza gli stati di energia inferiore a valle, portando alla progressione dipendente dal tempo dallo stato 1, attraverso lo stato 2, allo stato 3.
Lo stato 3 rappresenta uno stato conformazionale del trimero di Env legato a tre CD4 più aperto. Il legame CD4 induce diversi cambiamenti strutturali come il movimento delle anse V1/V2 dall’apice del trimero alla periferia, il riordino del dominio di bridging del foglio beta gp120, la formazione di CoRBS e l’assemblaggio bobina-bobina gp41 HR1 sull’asse del trimero. I trimeri di HIV-1 Env che favoriscono lo stato 3 possono mediare l’infezione delle cellule bersaglio con bassa o nessuna espressione di CD4.