Forscher enthüllen den komplexen Montageprozess, der an der DNA-Virusreplikation beteiligt ist

„Was war zuerst da, das Huhn oder das Ei?“ Wissenschaftler stehen seit langem vor einer ähnlichen Frage darüber, wie sich das menschliche Adenovirus repliziert: „Was kommt zuerst, der Zusammenbau des viralen Partikels oder die Verpackung des viralen Genoms?“

Nun, in einer neuen Studie, die heute in veröffentlicht wurde Naturhaben Forscher des Children’s Hospital of Philadelphia (CHOP) diese Frage beantwortet und gezeigt, dass virale Proteine ​​einen Prozess namens Phasentrennung verwenden, um die Produktion viraler Nachkommen zu koordinieren.

„Diese Studie beantwortet eine grundlegend wichtige Frage: Wie gelangt eine virale Nukleinsäure in ein Partikel, damit virale Nachkommen an die Zellen abgegeben werden können“, sagte Matthew Charman, Ph.D., wissenschaftlicher Mitarbeiter im Weitzman Lab am Children’s Hospital of Philadelphia . „Diese Ergebnisse haben weitreichende Auswirkungen, von möglichen therapeutischen Interventionen bis hin zu einer verbesserten Bereitstellung von Gentherapien, zusätzlich zur Erweiterung unseres Verständnisses der grundlegenden Zellbiologie.“

Viren entführen zelluläre Prozesse des Wirts, um sich zu replizieren und infektiöse Nachkommen zu produzieren, die für die Ausbreitung und Übertragung von Viren von entscheidender Bedeutung sind. Dazu müssen sie sowohl ihre viralen Genome replizieren als auch diese Genome in virale Partikel verpacken, damit der Infektionszyklus fortgesetzt werden kann. Es ist jedoch wenig darüber bekannt, wie die Genomreplikation, der Partikelaufbau und die Genomverpackung in der überfüllten nuklearen Umgebung koordiniert werden.

„Wenn wir uns die virale Replikation als altmodisches Milch-Fließband vorstellen, wissen wir, wie die Milchflaschen gebildet werden und dass sie gefüllt herauskommen, aber vor dieser Studie war der Prozess des Befüllens so etwas wie eine Black Box.“ sagte leitender Autor Matthew D. Weitzman, Ph.D., Professor an der Abteilung für Pathologie und Labormedizin des CHOP.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich das virale Partikel um das virale Genom herum bildet. Um die Analogie zu erweitern, haben viele angenommen, dass die Flasche hergestellt werden muss, bevor sie gefüllt wird, aber es stellt sich heraus, dass die Flasche tatsächlich um die Milch herum gebildet wird.“ Unter der Leitung von Dr. Charman, Wir haben gezeigt, dass ein biophysikalischer Prozess, der als Phasentrennung bekannt ist, es ermöglicht, dass dieser Prozess in einer geordneten, koordinierten Weise abläuft.“

Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass sich durch Phasentrennung membranlose Kompartimente in virusinfizierten Zellen bilden. Diese membranlosen Kompartimente, bekannt als biomolekulare Kondensate (BMCs), können biologische Prozesse regulieren, indem sie Biomoleküle in einer angereicherten dichten Phase konzentrieren oder sequestrieren, während sie ihre Konzentration in der leichten Phase begrenzen.

Obwohl BMCs mit mehreren viralen Prozessen in Verbindung gebracht wurden, gab es keine ausreichenden Beweise dafür, dass die Phasentrennung funktionell zum Zusammenbau infektiöser viraler Nachkommen in infizierten Zellen beiträgt.

Um die potenzielle Rolle von BMCs in diesem Prozess zu untersuchen, untersuchten die Forscher das Adenovirus, ein nuklear replizierendes DNA-Virus. Da sich die Adenovirus-Proteine, die an der Genomreplikation beteiligt sind, von denen unterscheiden, die an der Partikelmontage und Genomverpackung beteiligt sind, argumentierten die Forscher, dass die Konzentration auf dieses Virus es ihnen ermöglichen würde, die Rolle der Phasentrennung in spezifischen viralen Prozessen zu sezieren und leichter zu identifizieren.

Durch eine Vielzahl von Techniken, einschließlich Homopropargylglycin (HPG)-Markierung und Fluorophor-Click-Chemie, zeigten die Forscher, dass das 52-kDa-Protein des Adenovirus – ein spezielles Montage-/Verpackungsprotein – seine eigenen membranlosen Strukturen durch Phasentrennung herstellt und eine entscheidende Rolle bei der Koordination spielt Zusammenbau neuer infektiöser Partikel.

Sie zeigten, dass das 52-kDa-Protein nicht nur virale Kapsidproteine ​​in Kern-BMCs organisiert, sondern dass diese Organisation auch für den Zusammenbau vollständiger, verpackter Partikel, die virale Genome enthalten, wesentlich ist.

Darüber hinaus führten die Forscher Experimente mit einem mutierten Adenovirus durch, dem das 52-kDa-Protein fehlt, und zeigten, dass sich in Abwesenheit von viralen BMCs unvollständige Kapside bildeten. So konnten die Forscher zeigen, dass durch die Veränderung der Bildung dieser membranlosen Strukturen innerhalb der Zelle das „Fließband“, das virale Nachkommen produziert, nicht mehr richtig funktionierte.

„Jetzt, da wir diese Schritte kennen, stellt sich die Frage: Könnten wir Viren auf der Grundlage dieses biologischen Prozesses umgestalten, um beispielsweise bessere Träger für Innovationen wie die Gentherapie zu werden?“ sagte Dr. Charman. „Das Verständnis, wie Viren hergestellt werden, eröffnet uns eine Welt, in der wir diese Viren in Zukunft möglicherweise nicht nur effektiver angreifen, sondern auch Gentherapie-Instrumente entwickeln könnten, denen die Einschränkungen der derzeitigen Verabreichungsansätze fehlen.“