Forscher finden einen Weg zur Behandlung von Hepatitis E, indem sie ihre knorrige Struktur entwirren

In einem Artikel, der am 28. Februar in der Zeitschrift veröffentlicht wurde eLifehat ein Forscherteam unter der Leitung von Alexander Ploss von Princeton eine Debatte über ein Schlüsselprotein bei Hepatitis E (Hep E) beigelegt, das den Weg zur Entwicklung von Behandlungen für ein winziges Virus ebnen könnte, das eine übergroße Bedrohung für die öffentliche Gesundheit auf der ganzen Welt darstellt.

In ihrer Arbeit stellen die Forscher ein neues Modell vor, das die Struktur und Funktion eines Hep-E-Proteins detailliert beschreibt.

„Hepatitis E ist ein kaum verstandenes RNA-Virus, das für etwa 3 Millionen symptomatische Infektionen und etwa 70.000 Todesfälle pro Jahr verantwortlich ist“, sagte Ploss, Professor am Department of Molecular Biology von Princeton.

Hep E wird typischerweise durch fäkale Kontamination von Wasser, Nahrungsmitteln oder Oberflächen übertragen, sodass Viruserkrankungen in Regionen mit schlechter Hygiene häufiger auftreten. Aber auch an Orten mit guter Hygiene kommt es zu Ausbrüchen, wenn Menschen kontaminierte Lebensmittel wie Kamel- oder Schweinefleisch essen. Die Infizierten können Fieber, Übelkeit und Gelbsucht erleiden; und obwohl sich die meisten innerhalb von zwei bis acht Wochen erholen, kann die Infektion auch chronisch werden. In einigen ist es tödlich.

„Bedauerlicherweise ereignen sich viele Todesfälle bei schwangeren Frauen und ihren ungeborenen Kindern in späten Stadien der Schwangerschaft und bei immungeschwächten Personen“, sagte Ploss.

Derzeit hat nur China einen Impfstoff zur Verhinderung einer Hep-E-Infektion zugelassen, und es sind keine Medikamente zur Behandlung der Krankheit verfügbar, sobald die Infektion festgestellt wurde. Der Schaden, den Hep E anrichtet, ist umso bemerkenswerter, weil das Virus so sehr klein ist; sein Genom ist etwa 7.200 Nukleotide lang und enthält Anweisungen zur Herstellung von nur drei Proteinen.

„Die Struktur und Funktion des größten Hepatitis-E-Proteins, das als offener Leserahmen 1 – ORF1 – bezeichnet wird, ist kaum bekannt“, sagte Ploss.

ORF1 ist ein multifunktionales Protein, dessen Aufgabe es ist, Kopien des genetischen Materials des Virus für den Einbau in neue Virionen anzufertigen. Entlang seiner Länge enthält es mehrere unterschiedliche Regionen, die jeweils unterschiedliche Funktionen erfüllen. Viele dieser Regionen wurden bereits charakterisiert, aber die Größe und Komplexität von ORF1 haben es so schwierig gemacht, das Protein zu untersuchen, dass die Forscher bis jetzt noch nicht verstanden haben, wie eine Region davon funktioniert.

„Unsere Arbeit zielte darauf ab, zu entschlüsseln, wie eine bestimmte Region von ORF1 funktioniert, da es derzeit eine Debatte auf diesem Gebiet zu diesem Thema gibt“, sagte Robert LeDesma, Ph.D. Absolvent und Erstautor der Studie, der die Forschung als Doktorand im Labor von Ploss durchführte.

Die Debatte dreht sich um die Idee, dass dieser Teil von ORF1 als Protease fungieren könnte (d. h. ein Protein, das andere Proteine ​​schneidet). Viele Viren kodieren in ihrem Genom eine Protease, entweder um virale Proteine ​​in ihre aktive Form umzuwandeln oder um Wirtsproteine ​​abzuschalten, die einer Infektion entgegenwirken können. Als ihre anfänglichen Experimente jedoch nicht die Idee unterstützten, dass diese Region Proteaseaktivität aufweist, musste das Princeton-Team andere Hypothesen in Betracht ziehen.

Ein auffälliges Merkmal des von ihnen untersuchten Bereichs war das Vorhandensein eines Musters oder Motivs, das acht Vorkommen der Aminosäure Cystein enthielt. Dieses Motiv taucht in jedem bisher untersuchten Hep E-Genom auf, was darauf hindeutet, dass es für ORF1 ziemlich wichtig ist. Tatsächlich fand das Princeton-Team heraus, dass ORF1 Hep E nicht mehr bei der Replikation helfen kann, wenn einer der zentralen Kerne von sechs Cysteinen durch eine andere Aminosäure ersetzt wird.

Auf der Suche nach Hinweisen, was diese mysteriöse Region tun könnte, durchsuchten die Forscher Proteindatenbanken nach anderen Proteinen, die das gleiche Motiv enthalten, deren Funktion jedoch bereits bekannt ist. Eine kürzere Version des Motivs mit nur sechs Cysteinen ist in Proteinen vorhanden, die ein Metallion (wie Magnesium oder Zink) binden, um ihre dreidimensionale Form zu stabilisieren. LeDesma und Kollegen argumentierten, dass, wenn der Bereich, der das Cystein-reiche Motiv von ORF1 enthält, eine ähnliche Funktion hat, seine 3D-Form der der metallbindenden Regionen in diesen anderen Proteinen ähneln sollte.

Andere Forschungsteams haben versucht und sind gescheitert, die 3D-Form dieses Teils von ORF1 mit Methoden wie NMR-Spektroskopie und Röntgenkristallographie zu bestimmen, da dieser Teil des Proteins sehr ungeordnet ist und eher eine Vielzahl von zufälligen Formen annimmt als a einzelne starre.

Daher verwendeten die Forscher stattdessen einen Rechenalgorithmus namens AlphaFold, um die 3D-Form der Region vorherzusagen. AlphaFold sagte voraus, dass ORF1 eine neuartige Version eines Merkmals enthält, das metallbindenden Proteinen gemeinsam ist, bekannt als „Zinkfinger“, das für die Wechselwirkung mit Metallionen benötigt wird. Nachfolgende Experimente zeigten, dass die Fähigkeit, ein Metallion zu binden, für ORF1 unerlässlich ist, um seine Funktionen bei der viralen Replikation zu erfüllen.

„Wir haben entdeckt, dass sich ORF1 wie ein molekulares Gerüst verhält; es bindet an Metallionen innerhalb der Zelle, um eine ganz bestimmte Form anzunehmen, die es ihm ermöglicht, richtig zu funktionieren“, sagte LeDesma.

Mit anderen Worten, die Daten deuten darauf hin, dass diese Region von ORF1 nicht als Protease fungiert, sondern den Rest des Proteins strukturell unterstützt. Mit einem klareren Bild von ORF1 sind Wissenschaftler jetzt besser in der Lage, mit der Bekämpfung zu beginnen.

„Unsere Arbeit liefert ein umfassendes Modell der Struktur und Funktion von ORF1, das möglicherweise zur Entwicklung neuartiger Therapeutika für diesen wenig untersuchten humanen viralen Krankheitserreger beitragen kann“, sagte Ploss.