Ein Team von Wissenschaftlern der University of Oxford hat an der Diamond Light Source mit mehreren Techniken gearbeitet, um die Struktur der Influenza-Replikationsmaschinerie aufzuklären und zu bestimmen, wie sie mit zellulären Proteinen interagiert. Diese Forschung fördert unser Verständnis der Influenza-Replikation und wie sich das Virus an verschiedene Wirte anpasst.
Neben der saisonalen Grippe kann die Influenza zu einer Pandemie werden, wenn sie von Tieren auf Menschen überspringt. Durch einen genaueren Blick auf den Replikationszyklus des Virus setzen Forscher zusammen, wie Influenza menschliche und tierische Zellen für ihre Replikation entführt.
Eine aktuelle Rezension in Trends in der Mikrobiologie skizziert die Erkenntnisse, die mit Röntgenkristallographie und Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) am Synchrotron und Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) am Electron Bio-Imaging Center (eBIC) von Diamond gewonnen wurden.
Diese strukturellen Erkenntnisse haben neue potenzielle Wirkstoffziele für die Entwicklung neuartiger antiviraler Medikamente zur Hemmung der Replikation des Influenzavirus aufgezeigt.
Das Influenzavirus speichert seine Gene in RNA und das Virus synthetisiert seine eigene RNA-Polymerase, um sein Genom zu replizieren. Diese virale Polymerase hat neben der Replikation mehrere Funktionen, zu deren Aufklärung die gemeinsame Forschung von Diamond beigetragen hat.
Diese Studien zeigen, dass die Polymerase das Timing der Transkription – dem ersten Schritt der Proteinsynthese – und der Replikation reguliert, die erst beginnen kann, wenn virale Proteine produziert wurden. Die Ergebnisse zeigen, wie die Polymerase mit einem zellulären Protein, ANP32A, interagiert und es aneignet, um virale RNA vor der Erkennung durch das Immunsystem zu schützen.
Es wird angenommen, dass die derzeit zirkulierenden Influenza-A-Viren die evolutionäre Nachkommenschaft des Virus sind, das die globale Pandemie von 1918–1919 verursachte, die weltweit für zwischen 50 und 100 Millionen Todesfälle verantwortlich war. Influenzaviren sind normalerweise darauf beschränkt, eine Art von tierischem Wirt zu infizieren, beispielsweise Vögel, und erfordern spezifische Anpassungen, um auf ein anderes Tier, beispielsweise den Menschen, überzugehen.
Es wird angenommen, dass das Influenzavirus von 1918 von Wasservögeln auf den Menschen übergesprungen ist und als „Gründervirus“ gilt, das virale Genomsegmente für alle nachfolgenden Epidemie- und Pandemiestämme beigetragen hat. In einer Anfang dieses Jahres veröffentlichten Studie bestimmte die Gruppe Strukturen der Polymerase aus dem pandemischen Influenzavirus von 1918 und identifizierte Stellen auf der Oberfläche der Polymerase, die für eine Hemmung empfindlich sind1. Dies wiederum kann dazu beitragen, Ziele für die Wirkstoffforschung zu identifizieren und zu validieren.
Diese Forschung ist entscheidend, um zu verstehen, wie ANP32A teilweise für die Wirtssprungbarriere verantwortlich ist. ANP32A unterscheidet sich stark zwischen Menschen und Vögeln und zwingt tierische und aviäre Influenzaviren dazu, sich zu entwickeln, um weniger ähnlich zu werden.
Die strukturbiologische Forschung bei Diamond gibt Einblicke in das pandemische Potenzial verschiedener Grippestämme. Durch die Untersuchung, welche Regionen der viralen Polymerase mit ANP32A interagieren, stellten die Forscher fest, dass eine Mutation in der Polymerase der Vogelgrippe es ihr ermöglichen könnte, mit menschlichem ANP32A zu interagieren, was es diesem Stamm der Vogelgrippe ermöglicht, in menschliche Wirte einzudringen2.
Die strukturelle Charakterisierung großer Proteinkomplexe ist eine Herausforderung, und der Influenza-Replikationskomplex war keine Ausnahme. Röntgenkristallographie an den Strahllinien I03 und I24 wurde verwendet, um die Struktur der viralen Polymerase in nahezu atomarem Detail zu bestimmen, was enthüllte, dass sich die einzelnen Polymerasen paaren, um Dimere zu bilden. Um die Kristallstruktur der Dimere zu ergänzen, wurde eine als SAXS bekannte Strukturtechnik in Lösung an Strahllinie B21 durchgeführt, um die Bedeutung der Dimerbildung für die Funktion der Polymerasen zu demonstrieren.
Die Forscher schlugen vor, dass einzelne RNA-Polymerasen früh in der Infektion die Transkription durchführen und erst später zur Replikation wechseln, wenn sie sich als Dimere aneinander koppeln, nachdem zusätzliche Kopien der Polymerase3 produziert wurden.
Um diese strukturelle Arbeit weiter auszubauen, führte das Forschungsteam Kryo-EM am eBIC durch. Professor Jonathan Grimes von der University of Oxford erklärt, dass „Kryo-EM es uns ermöglicht hat, sehr interessante Proteinkomplexe zu untersuchen, von denen wir im Labor keine Kristalle züchten könnten“.
„Diamond demokratisiert die Wissenschaft. Die Tatsache, dass all diese Techniken an einem Ort existieren und der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung stehen, ist eine äußerst wertvolle Ressource. Diese hochmodernen Einrichtungen von Weltklasse stehen Wissenschaftlern von Universitäten und Instituten in ganz Großbritannien und der EU kostenlos zur Verfügung mit interessanten und wichtigen biologischen Fragestellungen.“
Korrespondierender Autor auf der Trends in der Mikrobiologie Review, Professor Ervin Fodor, University of Oxford, kommt zu dem Schluss, dass „diese Studien uns helfen, Ziele für die Wirkstoffforschung zu identifizieren und zu validieren zu neuartigen Virostatika, die auf die Influenza-Polymerase abzielen.“
Mehr Informationen:
Zihan Zhu et al., Ein strukturelles Verständnis der Influenzavirus-Genomreplikation, Trends in der Mikrobiologie (2022). DOI: 10.1016/j.tim.2022.09.015