Die erste Struktur des verpackten viralen Genoms auf Atomebene enthüllt neue Eigenschaften und Dynamiken

Ein Computermodell der mehr als 26 Millionen Atome in einem DNA-gepackten viralen Kapsid erweitert unser Verständnis der Virusstruktur und der DNA-Dynamik – Erkenntnisse, die neue Forschungswege und Wirkstoffziele liefern könnten, so Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign Bericht im Tagebuch Natur.

„Um einen Virus zu bekämpfen, wollen wir alles darüber wissen, was es zu wissen gibt. Wir wissen, was sich darin in Form von Komponenten befindet, aber wir wissen nicht, wie sie angeordnet sind“, sagte Studienleiter Aleksei Aksimentiev, Professor für Medizin in Illinois Physik. „Die Kenntnis der inneren Strukturen verschafft uns mehr Angriffspunkte für Medikamente, die sich tendenziell auf Rezeptoren auf der Oberfläche oder Replikationsproteine ​​konzentrieren.“

Viren bewahren ihr genetisches Material – entweder DNA oder RNA – in einem hohlen Partikel namens Kapsid verpackt auf. Während die Strukturen vieler hohler Kapside beschrieben wurden, ist die Struktur eines vollständigen Kapsids und des darin enthaltenen genetischen Materials noch immer unklar.

Für diesen ersten Blick auf ein vollständig verpacktes virales Genom konzentrierten sich die Forscher auf HK97, ein Virus, das Bakterien infiziert. Es sei experimentell gut untersucht worden, so dass die Illinois-Gruppe ihre Simulationen mit früheren Ergebnissen vergleichen könne, sagte Aksimentiev, der auch dem Beckman Institute of Advanced Science and Technology in Illinois angehört.

„Aus Experimenten wissen wir, dass das Kapsid ein Portal hat und dort ein Motorprotein sitzt, das die DNA hineinschiebt. Aus Experimenten kennen wir auch die Struktur des Kapsids. Wir kennen die genetische Sequenz, aber was nicht bekannt war, war die Struktur.“ des darin verpackten genetischen Materials.

Die Aufklärung der strukturellen Dynamik der Genomverpackung stellt Forscher aus mehreren Gründen vor Herausforderungen. Da es experimentell noch nicht sichtbar ist, ist eine Simulation auf einem Supercomputer erforderlich. Allerdings kann eine Simulation entweder für eine sehr kurze Zeit große Details oder für eine längere Zeit weniger Details zeigen.

Die Gruppe aus Illinois entwickelte einen Multiauflösungsansatz für die DNA-Simulation, bei dem das Problem auf mehreren Auflösungsebenen und Zeitdauern betrachtet und alle Informationen zusammengefügt werden, um ein vollständiges Bild des Prozesses zu erhalten. Nachdem sie es zuvor in Experimenten mit DNA-Origami verwendet und validiert hatten, wandten sie nun den Multiresolution-Ansatz auf HK97 an.

Das Ergebnis war der erste Blick auf den Verpackungsprozess viraler DNA sowie auf die strukturellen Eigenschaften und Schwankungen auf atomarer Ebene, wenn die DNA vollständig im Kapsid enthalten ist.

Sie fanden heraus, dass die DNA beim Einschieben in das Kapsid Serpentinenschleifen bildete, eine wichtige Erkenntnis, da sie der Organisation der DNA in eukaryontischen Zellen ähnelt. Sie fanden auch heraus, dass sich die DNA in Domänen organisierte, die der Topologie des Kapsids entsprachen. Der Prozess führte zu leicht unterschiedlichen Konfigurationen von Schleifen und DNA-Topologien in jedem simulierten Partikel.

„Diese Unterschiede zeigen, dass das Konzept der Individualität nicht nur auf Tiere und Pflanzen beschränkt ist, sondern sich auch auf Viren erstreckt, die primitivste Form genreplizierender Strukturen“, sagte Aksimentiev. „Dies eröffnet eine neue Dimension für die Betrachtung der Infektiosität und der Frage, ob diese Unterschiede zwischen Viren für die Variabilität ihrer Infektionsfähigkeit verantwortlich sind.“

Die Simulationen zeigten tatsächlich gemeinsame Strukturmerkmale und Defekte, insbesondere an den Kanten und Ecken des Kapsids, wo seine Form den größten Einfluss auf die DNA im Inneren hat. Diese Merkmale könnten potenzielle Ziele für die Arzneimittelentwicklung sein, sagte Aksimentiev.

„Wir glauben, dass dies erst der Anfang unserer Methodik ist, der ersten Studie, die sich mit der Struktur eines viralen Genoms befasst“, sagte Aksimentiev. „Mit größeren, schnelleren Computern und mehr Erkenntnissen aus Experimenten werden wir schließlich in der Lage sein, die Strukturen von Genomen anderer Virusarten, einschließlich RNA-Viren, die aufgrund ihrer Selbstorganisation komplizierter sind, rechnerisch aufzulösen.“

„Je mehr wir über diese Viren wissen, desto besser können wir sie bekämpfen oder sie für Anwendungen wie die Bekämpfung von Bakterien nutzen, die gegen den Einsatz von Antibiotika resistent geworden sind“, sagte Aksimentiev.