Aufkeimende Viren bremsen

Paramyxoviren haben das Potenzial, eine verheerende Pandemie auszulösen. Zu dieser Familie von Viren gehören Masern, Nipah-Virus, Mumps, Newcastle-Krankheit und Hundestaupe.

„Die Infektiosität von Masern wird von keinem bekannten Virus erreicht. Wenn eine Person mit Masern in einem Raum mit 100 ungeimpften Personen hustet, würden sich etwa 90 infizieren“, sagt Michael Norris, Ph.D., ein ehemaliger Postdoktorand am La Jolla Institute für Immunologie (LJI) und derzeitiger Assistenzprofessor an der University of Toronto. „Das Nipah-Virus ist nicht so ansteckend, aber es ist unglaublich tödlich, wobei zwischen 40 % und 90 % der Infektionen zum Tod führen.“

„Stellen Sie sich vor, es würde ein Paramyxovirus entstehen, das so ansteckend wie Masern und so tödlich wie Nipah ist“, fügt Norris hinzu.

Es ist nicht schwer, sich dieses Szenario vorzustellen. Tatsächlich basierte der Film „Contagion“ von 2011 auf genau dieser Art von imaginiertem Paramyxovirus.

Jetzt haben Norris und ein internationales Team von Mitarbeitern den allerersten Blick auf ein Schlüsselstadium im Lebenszyklus von Masern- und Nipah-Viren veröffentlicht. Ihre neue Studie, die als kommende Titelgeschichte in veröffentlicht wird Wissenschaftliche Fortschrittezeigt, wie zukünftige Therapien diese Viren aufhalten könnten.

„Diese Arbeit löst ein langjähriges Rätsel: wie sich Viren zusammensetzen“, sagt LJI-Professorin Erica Ollmann Saphire, Ph.D., die zusammen mit Professor Robert Stahelin, Ph.D., von der Purdue University als Co-Seniorautorin der Studie fungierte. „Wir wissen, dass die vielen Teile eines Virus an der Zellmembran zusammenkommen, aber wir wussten nicht, was der Auslöser war, der diesen irreversiblen Zusammenbauprozess auslöst.“

„Diese Studie ist erfolgreich, indem sie identifiziert, wie Paramyxoviren in der Lage sind, ein Wirtszelllipid für die Virusausbreitung zu nutzen“, sagt Stahelin. „Diese Arbeit wird zukünftige Bemühungen zur Entdeckung von Arzneimitteln beeinflussen.“

Zusammenbau eines Paramyxovirus

Die Forscher verwendeten mehrere bildgebende Verfahren, darunter Röntgenkristallographie und Elektronenmikroskopie, um einen Prozess namens virale Assemblierung zu erfassen.

Während der viralen Assemblierung strömen Schlüsselproteine ​​und genetisches Material in bestimmte Bereiche auf infizierten Wirtszellmembranen. Spezielle Virusproteine, sogenannte „Matrix“-Proteine, kommen zusammen, um ein Gitter gegen die Innenseite der Zellmembran zu bilden. Matrixproteine ​​sind die Treiber des Virusaufbauprozesses. Norris nennt sie die „Feldmarschälle“, die die anderen Proteine ​​sammeln und leiten, die zur Bildung eines neuen Virus benötigt werden. Auch Matrixproteine ​​geben einem Virus seine Form.

Während der virale Zusammenbau fortschreitet, beginnt das Gitter aus Matrixproteinen, die Membran nach außen zu drücken, um eine „Knospe“ zu bilden, und rekrutiert andere virale Proteine ​​an dieser Stelle. Sobald die Knospe alle erforderlichen Komponenten an Ort und Stelle hat, spaltet sie sich von der Elternzelle ab, um ein neues Virus zu bilden, das dann eine neue Wirtszelle infizieren kann.

Die Forscher hoffen, dass sie durch ein besseres Verständnis des viralen Zusammenbaus Therapien entwickeln können, die den Prozess unterbrechen. Dieser Ansatz ist vielversprechend; Das Medikament Lenacapavir zielt auf den Zusammenbauprozess von HIV ab und befindet sich derzeit in klinischen Studien, und Norris sagt, dass es Potenzial gibt, die gleiche Strategie anzuwenden, um Paramyxoviren zu stoppen. „Diese HIV-Therapie ist ein prinzipieller Beweis dafür, dass die Ausrichtung auf die virale Anordnung eine praktikable Strategie für die Arzneimittelentwicklung ist“, sagt Norris.

Wissenschaftler brauchen nur einen klaren Blick auf den Prozess der Paramyxovirus-Montage. Die Herausforderung für die Forscher besteht darin, die Matrixproteine ​​in Aktion zu sehen.

Erfassen der viralen Versammlung

Norris und seine Kollegen untersuchten den Virusaufbau sowohl beim Masernvirus als auch beim Nipah-Virus. Ihre Analyse zeigt, wie zwei Matrixproteine ​​in einer Art Umarmung zusammenkommen, um eine zweiseitige „Dimer“-Struktur zu bilden. Die Forscher zeigten, dass das Stoppen dieser „Umarmung“ durch Blockieren der Bildung dieses Dimers auch die virale Montage stoppt – aber das war nicht überraschend.

Die Forscher mussten unbedingt wissen, wie diese Dimere während des Knospungsprozesses mit anderen Strukturen interagieren. Sie zeigten, dass die Dimerumarmung in Richtung der Innenseite der Zellmembran schwimmt, um sozusagen Köpfe mit der Membran zu stoßen.

Aus einer vom Stahelin Lab an der Purdue University geleiteten Arbeit fand das Team heraus, dass die Matrixproteine ​​spezifisch an ein Lipidmolekül in der Wirtszellmembran namens PI(4,5)P2 binden. Diese Wechselwirkung verankert Matrixproteine ​​an der Membranoberfläche der Wirtszelle und stellt Treffpunkte für die Virusanordnung an spezifischen Stellen entlang der Membran bereit. Norris und seine Kollegen haben diese Wechselwirkung mithilfe von Röntgenkristallographie im Detail festgehalten.

Dann kam eine große strukturelle Überraschung. Das Team fand heraus, dass Nipah-Virus-Matrixproteine ​​tatsächlich ihre Struktur ändern, um eine Lipidbindungstasche für PI(4,5)P2 zu öffnen.

„Das war ein äußerst spannender Aspekt der Studie“, sagt Norris. Er betont, dass diese Tasche vor der Membranbindung nicht existiert – und die Tasche wäre ohne die in dieser Studie erfasste Struktur nicht entdeckt worden. Die Entdeckung dieser Tasche offenbarte ein brandneues Ziel für die Entwicklung von Inhibitoren des Zusammenbauprozesses.

Es stellte sich auch heraus, dass PI(4,5)P2 der geheime Inhaltsstoff ist, der Matrixprotein-Dimere dazu veranlasst, sich aneinander zu binden, um ein Gitter auf der inneren Oberfläche der Wirtszellmembran zu bilden. Wenn die Matrixproteine ​​ihre Struktur ändern, um die PI(4,5)P2-Tasche zu öffnen, nehmen sie auch eine Form an, die den Gitteraufbau vorantreibt.

Diese Veränderung in der Matrixproteinstruktur bewirkt auch eine Krümmung der Zellmembran. Vor der PI(4,5)P2-Bindung hat der Raum zwischen zwei Matrixproteinen in einer Umarmung eine konkave Schalenform mit abgewinkelten Seiten. Nach der Bindung von PI(4,5)P2 an die Matrixproteine ​​werden diese abgewinkelten Seiten abgeflacht, um die Schalenform in eine Plattenform umzuwandeln und die Membran dazu zu zwingen, sich nach oben zu krümmen. Die weiche Krümmung der Zellmembran taucht dann auf, um eine neue Knospe zu bilden, die schließlich ein neues Virus bilden wird.

Die Wissenschaftler haben viel von diesen Strukturen gelernt. „Wir wussten nicht, wie sehr sich die Moleküle verändern würden, wenn der Prozess ausgelöst wird, oder wie die Struktur aussehen würde, wenn sie zusammenwachsen“, sagt Saphire.

Entwerfen einer breiten therapeutischen

Masern sind immer noch eine der Haupttodesursachen auf der ganzen Welt. Indien und Bangladesch haben mit jährlichen Nipah-Ausbrüchen zu kämpfen. Diese Viren werden nicht verschwinden, und wir brauchen wirksame Therapien, um Ausbrüche zu stoppen.

Eine breite Paramyxovirus-Therapie könnte auch Nutztiere vor Krankheiten schützen und Ernährungssicherheit gewährleisten. Die Newcastle-Krankheit bei Geflügel wird durch Paramyxovirus-Infektionen verursacht, die ganze Herden auslöschen können, bevor Symptome überhaupt erkannt werden. Ein Ausbruch der Newcastle-Krankheit in den Jahren 2018–2020 in Kalifornien führte zur Keulung von 1,2 Millionen Vögeln.

Die neue Studie zeigt das Potenzial einer Pan-Paramyxovirus-Therapie, die auf den viralen Zusammenbau in mehreren Viren abzielt. Norris weist darauf hin, dass die Genome von Masern- und Nipah-Viren zwar sehr unterschiedlich sind, die Masern- und Nipah-Matrixproteine ​​​​fast identisch aussehen.

„Da diese Matrixproteinstrukturen hochgradig konserviert sind, könnten wir möglicherweise auf ein Virus abzielen und einen Inhibitor haben, der auf alle anderen Viren dieser Familie abzielen könnte“, sagt Norris.

Dank der Finanzierung durch den Tullie and Rickey Families SPARK Award for Innovation in Immunology von LJI konnte Norris mit der Suche nach Matrixprotein-Inhibitoren beginnen. Diese Finanzierung ermöglichte es ihm, eine Liste von über 7,4 Millionen Medikamentenkandidaten schnell einzugrenzen, um etwa 100 zu identifizieren, die in weitere Tests gehen werden.

Die nächsten Schritte bestehen darin, die molekularen Wechselwirkungen, aus denen das Matrixgitter besteht, besser zu verstehen und besser zu verstehen, wie Matrixproteine ​​während des Zusammenbauprozesses die anderen viralen Proteine ​​rekrutieren und mit ihnen interagieren.

„Wir wollen diese Arbeit nutzen, um Breitband-Inhibitoren der viralen Assemblierung zu entwickeln“, sagt Norris.