Cyclic Peptide Inhibitors of HIV-1 Proliferation

Colorado State University, Fort Collins CO

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

Abstract. Innovative approaches are needed to create therapeutics that target HIV. Existing drugs can prolong  patient lifespan by targeting multiple facets of the viral life cycle, but next-­generation therapies are needed that  act on new targets ? especially those that resist mutation ? to improve long-­term therapeutic compliance and  outcome. HIV-­1 TAR RNA is a validated drug target that resists mutations to interact with the viral protein Tat,  thus  giving  rise  to  an  RNA-­protein  complex  essential  for  proviral  transcription  and  HIV-­1  propagation.  So  far,  TAR  has  evaded  discovery  of  compounds  with  sufficient  affinity  and  selectivity  to  warrant  pharmaceutical  development.  To  address  this  challenge,  we  undertook  a  ?semi-­design  and  protein  evolution?  approach  that  yielded  many  novel,  high-­affinity  (KDs  ~  1.3  to  0.5  nM)  TAR  Binding  Proteins  (TBPs)  using  yeast  display  maturation. We then determined the 1.80 Å resolution co-­crystal structure of one variant, TBP6.7, in complex  with TAR, revealing that the major binding interface consists of evolved loop ?2-­?3, which reads out the TAR  RNA major groove. We hypothesize that cyclic peptides comprising the TBP6.7 ?2-­?3 loop, or other TBP loops  evolved  in  our  lab,  will  be  entry  points  to  create  a  novel  class  of  TAR  binders.  Indeed,  the  TBP6.7  ?2-­?3  hairpin retains affinity and specificity for TAR when fused to the small protein SUMO, signifying that the ?2-­?3  loop is necessary and sufficient for TAR recognition. Structural identification of the ?-­hairpin motif, and our use  of semi-­design and evolution make our approach fundamentally different from prior efforts to block the Tat-­TAR  interaction,  while  providing  a  robust  experimental  premise  to  pursue  our  aims:  (Aim  1)  Validate  the  observed  TBP6.7-­TAR  interface  and  determine  additional  novel  co-­crystal  structures  of  other  TBPs  evolved  in  our  lab;?  (Aim 2) synthesize and optimize cyclic peptides derived from Aim 1 that bind TAR and inhibit its interaction with  Tat;? (Aim 3) Test cyclic peptides from Aim 2 using viral infectivity assays to investigate mechanisms of action,  therapeutic  indices,  and  pharmacological  properties  in  animals.  To  our  knowledge,  no  other  group  has  used  protein  evolution  and  structural  biology  to  develop  HIV-­1  TAR-­targeted  reagents.  We  are  a  team  of  experts,  comprising  two  P.I.s,  with  strong  records  in  protein  evolution,  peptide-­based  drug  discovery,  HIV  therapeutic  discovery,  measuring  cell  penetration  and  toxicity  of  biologics  (McNaughton),  and  structural  biology  of  therapeutically-­relevant  RNAs,  protein-­RNA  complexes,  and  biophysical  analysis  of  protein-­RNA  interactions  (Wedekind),  as  well  as  two  collaborators:  Harold  Smith  (University  of  Rochester),  a  leader  in  drug  discovery  and development, and CEO of OyaGen Inc., a private company developing anti-­HIV drugs, and Dan Gustafson  (Colorado  State  University),  a  clinician  and  pharmacologist  with  expertise  in  measuring  pharmacological  profiles of therapeutics. We are uniquely qualified and well suited to perform this work. High-­value outcomes  include:  (i)  identification  of  novel  lead  inhibitors  of  HIV,  and  (ii)  validation  of  our  ?semi-­design?  and  structural  approach, which has the potential for sustained impact on the drug discovery and inhibitor design fields.