Nutzung eines angeborenen Schutzes gegen Ebola

In ihrem evolutionären Kampf ums Überleben haben Viren Strategien entwickelt, um Infektionen auszulösen und fortzusetzen. Sobald es sich beispielsweise in einer Wirtszelle befindet, entführt das Ebola-Virus molekulare Wege, um sich selbst zu replizieren und schließlich aus der Zelle zurück in den Blutkreislauf zu gelangen, wo es sich weiter ausbreiten kann.

Aber unsere eigenen Zellen, im Fall von Ebola und vielen anderen Viren, sind nicht ohne Abwehr. In einer Studie veröffentlicht in der Proceedings of the National Academy of Sciencesentdeckte ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität von Pennsylvania, wie menschliche Zellen die Fähigkeit des Ebola-Virus, auszubrechen, behindern.

Eine Wechselwirkung zwischen Virus- und Wirtsproteinen veranlasst die Wirtszellen, die Aktivität eines Signalwegs zu erhöhen, der für die Verdauung und das Recycling von Proteinen verantwortlich ist, stellte das Team fest. Diese Aktivität, die als Autophagie oder „Selbstverzehr“ bekannt ist, ermöglicht es weniger Viruspartikeln, die Oberfläche einer Wirtszelle zu erreichen, wodurch die Anzahl verringert wird, die in den Blutkreislauf gelangen und die Infektion weiter verbreiten können.

„Diese Interaktion scheint Teil eines angeborenen Abwehrmechanismus zu sein“, sagt Ronald N. Harty, Professor am Penn Vet und leitender Autor der Studie. „Menschliche Zellen scheinen speziell auf ein Schlüsselprotein des Ebola-Virus abzuzielen und es in den Autophagie-Weg zu leiten, auf dem Zellen Abfall verarbeiten und recyceln.“

Die Untersuchung ging aus einem langjährigen Schwerpunktgebiet von Hartys Labor hervor: der Wechselwirkung zwischen dem viralen Protein VP40, das sowohl in Ebola- als auch in Marburg-Viren vorkommt, und verschiedenen menschlichen Proteinen. In früheren Arbeiten der Gruppe haben sie herausgefunden, dass ein Bereich von VP40, bekannt als PPXY-Motiv, entsprechende Motive, bekannt als WW-Domänen, auf spezifischen Wirtsproteinen bindet.

In vielen Fällen bewirkt diese PPXY-WW-Wechselwirkung, dass mehr virale Partikel die Zelle in einem als „Knospung“ bezeichneten Prozess verlassen. Beim Screening verschiedener Wirtsproteine, von denen angenommen wird, dass sie eine Rolle in diesem Prozess spielen, entdeckten Harty und Postdoc Jingjing Liang, der Hauptautor der Studie, einige, die bei der Bindung von VP40 das Gegenteil bewirkten und die Knospung verringerten. Eines davon war ein Protein namens Bag3, auf dem sie berichteten in einem PLOS-Erreger Papier im Jahr 2017.

Obwohl Ebola ein potenziell tödlicher Virus ist, können Harty und Kollegen seine Funktionsweise in einem Labor der Biosicherheitsstufe 2 sicher untersuchen und das Virus selbst durch virusähnliche Partikel (VLPs) ersetzen, die VP40 exprimieren. Diese VP40-VLPs sind nicht infektiös, können aber wie das echte Ding aus Wirtszellen herausknospen.

In der neuen Arbeit haben die Forscher von Penn Vet und Kollegen vom Texas Biomedical Research Institute tiefer gegraben, um mehr über den Mechanismus zu erfahren, durch den Bag3 die Knospung reduziert. Bag3 ist als „Co-Chaperon“-Protein bekannt, das daran beteiligt ist, einen Komplex mit anderen Proteinen zu bilden und sie auf ihrer Reise zur Verdauung zu begleiten, letztendlich in Organellen, die Autolysosomen genannt werden, ein Teil des Prozesses der Autophagie. Unter Verwendung von VP40-VLPs bestätigte Hartys Gruppe, dass VP40 an Bag3 band und den Proteinkomplex bildete. Als die Forscher eine Verbindung hinzufügten, von der bekannt ist, dass sie die Bildung dieses Komplexes blockiert, sahen sie, dass VP40 freigesetzt wurde; Anschließend nahm die Knospungsaktivität von VLP zu.

Um die Aktivität von VP40 in Echtzeit zu verfolgen, verwendete das Team eine leistungsstarke konfokale Mikroskopie und markierte jeden interessierenden Akteur mit einem anderen fluoreszierenden Tag. Sie beobachteten, dass Bag3 an der Sequestrierung von VP40 in Vesikeln in der Zelle beteiligt war, die anschließend einer Autophagie unterzogen werden würden. In diesen Vesikeln gefangen und für das zelluläre „Recyclingzentrum“ bestimmt, konnte VP40 nicht zur Zellmembran und Knospe gelangen.

„Ich denke, eines der interessantesten Dinge, die wir gezeigt haben, ist die Selektivität der Ladung“, sagt Liang. „Wir zeigen, dass Autophagie nicht nur passiv abläuft. Bag3 wirkt durch die PPXY-WW-Interaktion, um VP40 gezielt für die Autophagie einzusetzen.“

Als die Forscher das Medikament Rapamycin hinzufügten, das die Autophagie verstärkt, stieg die VP40-Sequestrierung und die VLP-Knospung ging zurück. Rapamycin wirkt, indem es die Aktivität eines Signalwegs hemmt, der von einem Proteinkomplex namens mTORC1 gesteuert wird, einem zellulären Sensor, der die Proteinsynthese einschaltet, wenn eine Zelle Rohmaterial zum Wachsen benötigt.

Die Forscher fanden heraus, dass dieser Signalweg für die Regulierung der Ebola-Infektion wichtig zu sein schien; In Experimenten mit lebenden Viren, die in einem Labor der Biosicherheitsstufe 4 durchgeführt wurden, beobachteten sie, dass das Virus die mTORC1-Signalübertragung aktivieren könnte, was die zelluläre „Fabrik“ dazu veranlasste, Materialien zu produzieren, die das Virus benötigen würde, um sich auszudehnen und zu verbreiten. Im Gegensatz dazu lenkte die Hemmung von mTORC1 mit Rapamycin das Virus auf den Autophagieweg, wo es von den Autolysosomen der Zelle verdaut würde.

„Das Virus will, dass die Zelle wächst, also aktiviert es mTORC1“, sagt Harty. „Die Autophagie macht das Gegenteil und hält die Zellmaterialien im Gleichgewicht.“

Autophagie ist wichtig für normale zelluläre Prozesse und stellt sicher, dass die Zelle nicht mit unnötigen oder falsch gefalteten Proteinen und anderen herumschwimmenden Materialien überladen wird. Aber diese Arbeit deutet auch darauf hin, dass Autophagie vom Körper genutzt werden kann, um sich gegen schädliche Infektionen zu verteidigen.

„Unserer Auffassung nach ist dies Teil des Wettrüstens zwischen unserem Körper und dem Virus“, sagt Liang. „Das Virus möchte seine Umgebung so gestalten, dass es ihm und seinem eigenen Überleben zugute kommt, also hat es sich entwickelt, um mTORC1 zu manipulieren. Aber die Zelle kann diesen Weg auch nutzen, um sich gegen eine Virusinfektion zu verteidigen.“

Mit diesen Erkenntnissen über die angeborene Abwehr des menschlichen Körpers gegen Ebola hoffen die Forscher herauszufinden, ob die Autophagie ein Faktor bei anderen hämorrhagischen Virusinfektionen sein könnte, wie z. B. denjenigen, die Marburg- und Lassa-Fieber verursachen. Und während die aktuellen Experimente hauptsächlich mit menschlichen Leberzelllinien durchgeführt wurden, möchte das Team auch testen, ob Autophagie und der mTORC1-Signalweg in anderen Zelltypen, wie den Makrophagen des Immunsystems, den primären Zellen, die an der Vermehrung beteiligt sind, an der Virusabwehr beteiligt sind Infektion.

Letztendlich hoffen Harty, Liang und Kollegen, so viele virale Schwachstellen wie möglich zu finden, um Medikamente zu informieren, die eine Komponente eines therapeutischen Cocktails sein könnten, die jeweils auf verschiedene Stadien der Infektion abzielen, vom Eintritt bis zum Austritt des Virus.

„Dies alles hängt mit unserem Gesamtziel zusammen, die Wechselwirkungen zwischen Virus und Wirt zu verstehen und durch ihr Verständnis daran zu arbeiten, einzugreifen, um die Infektion zu verlangsamen oder zu stoppen“, sagt Harty.