Durch die gezielte Ausrichtung auf einen Coronavirus-Ionenkanal könnten neue COVID-19-Medikamente entstehen

Das Genom des SARS-CoV-2-Virus kodiert für 29 Proteine, von denen eines ein Ionenkanal namens E ist. Dieser Kanal, der Protonen und Kalziumionen transportiert, veranlasst infizierte Zellen, eine Entzündungsreaktion auszulösen, die das Gewebe schädigt und zu den Symptomen beiträgt von COVID-19.

MIT-Chemiker haben nun die Struktur des „offenen“ Zustands dieses Kanals entdeckt, der den Ionenfluss ermöglicht. Diese Struktur könnte in Kombination mit der „geschlossenen“ Zustandsstruktur, über die dasselbe Labor im Jahr 2020 berichtete, Wissenschaftlern dabei helfen, herauszufinden, was das Öffnen und Schließen des Kanals auslöst. Diese Strukturen könnten Forschern auch bei der Entwicklung antiviraler Medikamente helfen, die den Kanal blockieren und dabei helfen, Entzündungen vorzubeugen.

„Der E-Kanal ist ein antivirales Medikamentenziel. Wenn man den Kanal daran hindern kann, Kalzium in das Zytoplasma zu schicken, dann hat man eine Möglichkeit, die zytotoxischen Wirkungen des Virus zu reduzieren“, sagt Mei Hong, Professorin für Chemie am MIT und Senior-Professorin Autor der Studie.

Der MIT-Postdoktorand Joao Medeiros-Silva ist der Hauptautor der Studie, die in erscheint Wissenschaftliche Fortschritte. Die MIT-Postdocs Aurelio Dregni und Pu Duan sowie der Doktorand Noah Somberg sind ebenfalls Autoren des Artikels.

Offen und geschlossen

Hong verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Untersuchung der Strukturen von Proteinen, die in Zellmembranen eingebettet sind. Als die COVID-19-Pandemie im Jahr 2020 begann, richtete sie ihre Aufmerksamkeit auf den E-Kanal des Coronavirus.

Wenn SARS-CoV-2 Zellen infiziert, bettet sich der E-Kanal in die Membran ein, die ein Zellorganell namens ER-Golgi-Zwischenkompartiment (ERGIC) umgibt. Das Innere von ERGIC weist eine hohe Konzentration an Protonen und Kalziumionen auf, die der E-Kanal aus ERGIC in das Zytoplasma der Zelle transportiert. Dieser Zustrom von Protonen und Kalzium führt zur Bildung von Multiproteinkomplexen, sogenannten Inflammasomen, die Entzündungen auslösen.

Um in Membranen eingebettete Proteine ​​wie Ionenkanäle zu untersuchen, hat Hong Techniken entwickelt, die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) nutzen, um die Strukturen dieser Proteine ​​auf atomarer Ebene aufzudecken. In früheren Arbeiten nutzte ihr Labor diese Techniken, um die Struktur eines Influenza-Proteins namens M2-Protonenkanal zu entdecken, das wie das Coronavirus-E-Protein aus einem Bündel mehrerer helikaler Proteine ​​besteht.

Zu Beginn der Pandemie analysierte Hongs Labor mithilfe von NMR die Struktur des E-Kanals des Coronavirus bei neutralem pH-Wert. Die daraus resultierende Struktur, über die im Jahr 2020 berichtet wurde, bestand aus fünf Helices, die im scheinbar geschlossenen Zustand des Kanals eng gebündelt waren.

„Bis 2020 hatten wir alle NMR-Technologien ausgereift, um die Struktur dieser Art von Alpha-Helix-Bündel in der Membran aufzuklären, sodass wir die geschlossene E-Struktur in etwa sechs Monaten aufklären konnten“, sagt Hong.

Nachdem sie die geschlossene Struktur ermittelt hatten, machten sich die Forscher daran, die Struktur des offenen Zustands des Kanals zu bestimmen. Um den Kanal dazu zu bringen, die offene Konformation anzunehmen, setzten die Forscher ihn einer saureren Umgebung zusammen mit höheren Kalziumionenwerten aus. Sie fanden heraus, dass unter diesen Bedingungen die obere Öffnung des Kanals (der Teil, der sich in das ERGIC erstrecken würde) breiter und mit Wassermolekülen bedeckt wurde. Diese Wasserschicht macht den Kanal für den Eintritt von Ionen attraktiver.

Diese Porenöffnung enthält auch Aminosäuren mit hydrophilen Seitenketten, die vom Kanal herabhängen und dabei helfen, positiv geladene Ionen anzuziehen.

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass der geschlossene Kanal zwar oben eine sehr schmale Öffnung und unten eine breitere Öffnung aufweist, im offenen Zustand jedoch das Gegenteil der Fall ist: oben breiter und unten schmaler. Die Öffnung an der Unterseite enthält außerdem hydrophile Aminosäuren, die dabei helfen, Ionen durch ein schmales „hydrophobes Tor“ in der Mitte des Kanals zu ziehen, sodass die Ionen schließlich in das Zytoplasma austreten können.

In der Nähe des hydrophoben Tors entdeckten die Forscher außerdem einen engen „Gürtel“, der aus drei Kopien von Phenylalanin besteht, einer Aminosäure mit einer aromatischen Seitenkette. Je nachdem, wie diese Phenylalanine angeordnet sind, können die Seitenketten entweder in den Kanal hineinragen und ihn blockieren oder aufschwingen, um den Durchgang von Ionen zu ermöglichen.

„Wir glauben, dass die Seitenkettenkonformation dieser drei regelmäßig beabstandeten Phenylalaninreste eine wichtige Rolle bei der Regulierung des geschlossenen und offenen Zustands spielt“, sagt Hong.

Virales Targeting

Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass, wenn SARS-CoV-2-Viren so mutiert sind, dass sie den E-Kanal nicht produzieren, die Viren viel weniger Entzündungen hervorrufen und die Wirtszellen weniger schädigen.

In Zusammenarbeit mit Mitarbeitern der University of California in San Francisco entwickelt Hong nun Moleküle, die sich an den E-Kanal binden und verhindern könnten, dass Ionen durch ihn wandern, in der Hoffnung, antivirale Medikamente zu entwickeln, die die durch SARS-CoV-2 verursachte Entzündung reduzieren würden .

Ihr Labor plant außerdem zu untersuchen, wie Mutationen in späteren Varianten von SARS-CoV-2 die Struktur und Funktion des E-Kanals beeinflussen könnten. Bei der Omicron-Variante wird eine der hydrophilen oder polaren Aminosäuren in der Porenöffnung zu einer hydrophoben Aminosäure namens Isoleucin mutiert.

„Die E-Variante in Omicron ist etwas, das wir als nächstes untersuchen wollen“, sagt Hong. „Wir können eine Mutante herstellen und sehen, wie die Störung dieses polaren Netzwerks den strukturellen und dynamischen Aspekt dieses Proteins verändert.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.