Forscher enthüllen die Architektur der Pockenvirus-Kerne

Ein kürzliches Wiederauftreten und der Ausbruch von Mpoxen führten dazu, dass Pockenviren wieder eine Bedrohung für die öffentliche Gesundheit darstellten, was eine wichtige Wissenslücke im Kern verdeutlichte. Nun hat ein Forscherteam des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) die Geheimnisse der Kernarchitektur von Pockenviren gelüftet, indem es verschiedene Techniken der Kryo-Elektronenmikroskopie mit molekularer Modellierung kombinierte.

Die Ergebnisse, veröffentlicht In Struktur- und Molekularbiologie der Naturkönnte zukünftige Forschung zu Therapeutika erleichtern, die auf den Kern des Pockenvirus abzielen.

Das Variola-Virus, das berüchtigtste Pockenvirus und eines der tödlichsten Viren, die jemals Menschen befallen haben, richtete durch die Entstehung von Pocken verheerende Schäden an, bis es 1980 ausgerottet wurde. Die Ausrottung gelang dank einer umfangreichen Impfkampagne mit einem anderen Pockenvirus, dem treffend benannten Vaccinia-Virus.

Das erneute Auftreten und der Ausbruch des Mpox-Virus in den Jahren 2022–2023 hat uns erneut daran erinnert, dass Viren Wege finden, als Bedrohung für die öffentliche Gesundheit wieder in den Vordergrund zu rücken. Wichtig ist, dass dadurch die grundlegenden Fragen zu Pockenviren hervorgehoben wurden, die bis heute unbeantwortet geblieben sind.

Eine solche grundlegende Frage steht im wahrsten Sinne des Wortes im Mittelpunkt der Angelegenheit. „Wir wissen, dass der virale Kern von Pockenviren richtig geformt sein muss, damit Pockenviren infektiös sind. Aber woraus besteht dieser pockenvirale Kern und wie kommen seine einzelnen Komponenten zusammen und funktionieren?“ fragt ISTA-Assistenzprofessor Florian Schur, der korrespondierende Autor der Studie.

Schur und sein Team haben nun den Finger auf das fehlende Glied gelegt: ein Protein namens A10. Interessanterweise kommt A10 allen klinisch relevanten Pockenviren gemeinsam vor. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass A10 als einer der Hauptbausteine ​​des Pockenvirenkerns fungiert. Dieses Wissen könnte für die zukünftige Forschung zu Therapeutika, die auf den Kern des Pockenvirus abzielen, von entscheidender Bedeutung sein.

„Die fortschrittlichsten Kryo-EM-Techniken, die heute verfügbar sind“

Der virale Kern ist einer der Faktoren, die allen infektiösen Pockenvirusformen gemeinsam sind. „Frühere Experimente in der Virologie, Biochemie und Genetik deuteten auf mehrere Kernproteinkandidaten für Pockenviren hin, es standen jedoch keine experimentell abgeleiteten Strukturen zur Verfügung“, sagt ISTA Ph.D. Studentin Julia Datler, eine der Co-Erstautorinnen der Studie.

Daher begann das Team mit der rechnerischen Vorhersage von Modellen der wichtigsten Kernproteinkandidaten mithilfe des mittlerweile berühmten KI-basierten Molekularmodellierungstools AlphaFold. Parallel dazu legte Datler die biochemischen und strukturellen Grundlagen des Projekts, indem sie sich auf ihren Hintergrund in Virologie und die Hauptkompetenz der Schur-Gruppe stützte: kryogene Elektronenmikroskopie, kurz Kryo-EM.

„Wir haben viele der fortschrittlichsten Kryo-EM-Techniken, die heute verfügbar sind, in die molekulare Modellierung von AlphaFold integriert. Dies gab uns zum ersten Mal einen detaillierten Gesamtüberblick über den Kern des Pockenvirus – den „sicheren“ oder „Bioreaktor“ im Inneren des Virus, der es umschließt das virale Genom und setzt es in infizierten Zellen frei“, sagt Schur.

„Es war ein bisschen ein Wagnis, aber wir haben es schließlich geschafft, die richtige Mischung von Techniken zu finden, um diese komplexe Frage zu untersuchen“, sagt Postdoc Jesse Hansen, der Co-Erstautor der Studie, der sich mit verschiedenen Techniken der Strukturbiologie und Bildverarbeitungsmethoden auskennt ausschlaggebend für das Projekt.

Eine globale 3D-Ansicht des Pockenvirus

Die ISTA-Forscher untersuchten „lebende“ reife Virionen des Vaccinia-Virus und gereinigte Pockenvirenkerne aus jedem möglichen Blickwinkel – im wahrsten Sinne des Wortes.

„Wir haben die ‚klassische‘ Einzelpartikel-Kryo-EM, Kryo-Elektronentomographie, Subtomogramm-Mittelung und AlphaFold-Analyse kombiniert, um einen Gesamtüberblick über den Kern des Pockenvirus zu erhalten“, sagt Datler. Mit der Kryo-Elektronentomographie können Forscher 3D-Volumina einer biologischen Probe von der Größe eines ganzen Virus rekonstruieren, indem sie Bilder aufnehmen und dabei die Probe schrittweise neigen.

„Es ist, als würde man einen CT-Scan des Virus machen“, sagt Hansen. „Die Kryo-Elektronentomographie, die ‚Spezialität‘ unseres Labors, ermöglichte es uns, Auflösungen im Nanometerbereich des gesamten Virus, seines Kerns und seines Inneren zu erreichen“, sagt Schur.

Darüber hinaus konnten die Forscher die AlphaFold-Modelle wie ein Puzzle in die beobachteten Formen einpassen und Moleküle identifizieren, die den Kern des Pockenvirus bilden. Unter diesen stach der Kernproteinkandidat A10 als einer der Hauptbestandteile hervor.

„Wir haben herausgefunden, dass A10 wichtige Strukturelemente des Kerns von Pockenviren definiert“, sagt Datler. Schur fügt hinzu: „Diese Ergebnisse sind eine großartige Quelle für die Interpretation struktureller und virologischer Daten, die in den letzten Jahrzehnten gesammelt wurden.“

Ein schwieriger Weg zur Entdeckung von Pockenvirenkernen

Der Weg zu diesen Erkenntnissen war alles andere als geradlinig. „Wir mussten von Anfang an unseren eigenen Weg finden“, sagt Datler. Mithilfe ihres Fachwissens in Biochemie, Virologie und Strukturbiologie isolierte, vermehrte und reinigte Datler Proben des Vaccinia-Virus und erstellte die Protokolle zur Reinigung des gesamten Viruskerns, während sie diese Proben gleichzeitig für Strukturstudien optimierte.

„Strukturell war es äußerst schwierig, diese Viruskerne zu untersuchen. Aber glücklicherweise haben sich unsere Beharrlichkeit und unser Optimismus ausgezahlt“, sagt Hansen.

Die ISTA-Forscher sind davon überzeugt, dass ihre Erkenntnisse eine Wissensplattform für zukünftige Therapeutika bieten könnten, die auf die Kerne von Pockenviren abzielen.

„Man könnte zum Beispiel an Medikamente denken, die verhindern, dass sich der Kern zusammensetzt – oder die virale DNA während einer Infektion sogar zerlegt und freisetzt. Letztlich ermöglicht uns die grundlegende Virusforschung, wie sie hier durchgeführt wird, besser auf mögliche zukünftige Virusausbrüche vorbereitet zu sein.“ schließt Schur.