Investigation of the interaction and olgiomerization of HIV capsid and single domain antibody as a biotechnological drug against HIV

Abstract

Human immunodeficiency virus (HIV) causes AIDS which is still a global public health threat. Current drugs against HIV infection cannot eradicate the virus therefore, research on new drug targets continues. HIV capsid protein, which has a highly conserved sequence and is sensitive to mutations, has critical roles in the virus lifecycle, making it a high-potential drug target. A nanobody is the antigen-binding domain of heavy-chain only antibodies of camelids. Small size, thermal stability and ease of production makes nanobodies ideal antibody fragments for therapeutic and diagnostic purposes. In the literature, a nanobody binding to the HIV-1 capsid-N terminal domain (NTD) has been reported. The aim of this thesis is to examine the potential of this nanobody as a biotechnological drug candidate against the HIV-1 and HIV-2 capsid proteins. In the study, HIV-1 capsid was expressed, purified and biophysically characterized. Thermal and chemical denaturation of the protein were done, the melting temperature and unfolding free-energy values of the protein were determined. In-vitro oligomerization of the HIV-1 capsid was performed and observed that the protein self-oligomerized over time. Pure HIV-2 capsid protein could not be produced recombinantly. Thereupon, HIV1 capsid-NTD and HIV-2 capsid-NTD proteins were expressed and purified. Secondary structure of HIV-1 capsid, HIV-1 capsid-NTD and nanobody were analyzed with circular dichroism (CD) spectroscopy and the results matched with the literature. Isothermal titration calorimetry (ITC) experiments were done to examine the HIV-1 capsidnanobody interaction, but good binding was not observed between the two proteins. Future work requires repeating ITC experiments.İnsan immün yetmezlik virüsünün sebep olduğu AIDS, halen küresel bir halk sağlığı tehdidir. Virüsün mevcut ilaçlarla yok edilememesi ve ilaçlara direnç geliştirmesi, yeni ilaç hedefleri ihtiyacı oluşturmaktadır. Virüsün kapsit proteini; mutasyonlara karşı duyarlı oluşu, dizisinin yüksek korunumu ve yaşam döngüsündeki rolleriyle yüksek potansiyelli bir ilaç hedefidir. Literatürde, kapsit proteinine bağlanan ve inhibitor etki gösteren birçok molekül bildirilmiştir. Nanokor, devegillerdeki sadece ağır zincirden oluşan antikorların antijen bağlanma bölgesidir. Nanokorlar sahip oldukları özellikler sayesinde hedefledikleri moleküller için uygun ajanlardır. Literatürde HIV-1 kapsit-N terminal alanına (NTD) bağlanan bir nanokor rapor edilmiştir. Bu tez çalışmasında, bu nanokorun HIV-1 ve HIV-2 kapsit proteinleri hedefine karşı ilaç olma potansiyelinin incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmada HIV-1 kapsitin üretimi ve saflaştırması başarıyla gerçekleştirilmiş, ilaç geliştirme teknolojileri için önemli olan biyofiziksel karakterizasyon deneyleri yapılmıştır. Proteinin termal, kimyasal denatürasyonu incelenmiş, deneylerde proteinin erime sıcaklığı ve açılma serbest enerjisi değerleri elde edilmiştir. Virüs yaşam döngüsünün geç aşamasında HIV-1 kapsit, viral genomu da içinde konik kapsit kafesi oluşturur. Viral enfeksiyon, büyük ölçüde kapsit kafes oluşumuna bağlıdır. Bu nedenle çalışmada, HIV-1 kapsitin in-vitro oligomerizasyonu incelenmiş, proteinin kendi kendine oligorimerize olduğu gözlenmiştir. Çalışmada, HIV-2 kapsitin üretimi ve saflaştırılmasında başarılı sonuç alınamamıştır. Bunun üzerine HIV-1 kapsit-NTD, HIV-2 kapsit-NTD proteinleri rekombinant yöntemlerle üretilip saflaştırılmıştır. HIV-1 kapsit, HIV-1 kapsit-NTD ve nanokor proteinlerinin yapısal karakterizasyonu CD ile incelenmiş, proteinlerin literatürdeki ikincil yapı özellikleriyle uyuşan sonuçlar gözlenmiştir. Kapsit-nanokor etkileşimini incelemek için yapılan ITC başlangıç deneylerinde nanokor, HIV-1 kapsit ile iyi bir bağlanma göstermemiştir. Gelecek çalışmalar daha fazla nanokorun üretilmesiyle ITC deneylerinin tekrarını gerektirmektedir. Böylece proteinlerin etkileşimi hakkında daha iyi yorum yapılabilir.