Untersuchung der molekularen Grundlagen der Bindung von Pradimicin A an virales N-Glycan, einen potenziellen Eintrittshemmer für SARS-CoV-2

HIV-, Ebola- und zuletzt COVID-19-Viren haben weltweit enorme Auswirkungen auf unsere Gesellschaften. Bei all diesen Viren handelt es sich um „behüllte Viren“, also Viren, die von einer äußeren Hülle umgeben sind, die größtenteils aus den Zellen ihres Wirts besteht. Diese Hülle erhöht die Fähigkeit des Virus, sich vor dem Immunsystem seines Wirts zu verstecken und in die Zellen des Wirts einzudringen. Sie gibt Forschern aber auch ein Ziel, nämlich die Möglichkeit, die Virusübertragung zu unterbrechen.

Japanische Forscher arbeiten daran, die Übertragung dieser Virenart zu stoppen.

„Die Entwicklung von Impfstoffen und antiviralen Medikamenten gegen COVID-19 hat das Sterberisiko erfolgreich gesenkt, aber eine vollständige Unterdrückung der Virusübertragung ist nach wie vor eine Herausforderung. Unter diesen Umständen haben wir das Potenzial des natürlich vorkommenden Pradimicin A (PRM-A) als neues Anti-SARS-CoV-2-Medikament untersucht, das die Übertragung von SARS-CoV-2 unterdrückt“, sagte Yu Nakagawa, der Hauptautor des Papiers und außerordentlicher Professor am Institute for Glyco-core Research (iGCORE) der Universität Nagoya in Nagoya, Japan.

Ihre Forschung wurde veröffentlicht in Bioorganische und Medizinische Chemie am 1. Mai.

Es gibt starke Hinweise darauf, dass PRM-A ein Viruseintrittshemmer ist; mit anderen Worten, es verhindert, dass Viren in die Zellen eines Wirtes eindringen. Dies geschieht durch die Bindung an N-Glykane, die sich auf der Oberfläche mehrerer Arten behüllter Viren, darunter auch des SARS-CoV-2-Virus, befinden. Es ist jedoch noch wenig darüber bekannt, wie genau PRM-A an die viralen N-Glykane bindet.

Um eine Zelle zu infizieren, verwendet die Hülle eines Virus spezifische Rezeptoren auf ihrer Oberfläche, sogenannte Spike-Proteine ​​– bei denen es sich in der Regel um Glykoproteine ​​handelt, also um Kohlenhydrate, genauer gesagt an Proteine ​​gebundene Zucker (Oligosaccharide) –, um sich an die Zellmembran der Wirtszelle zu binden. Dadurch wird eine Konformationsänderung in der Zellmembran verursacht, die es dem Virus ermöglicht, in die Zellen einzudringen. Dort angekommen, nutzt es die Ressourcen der Zelle, um sein eigenes Genom zu replizieren, sicher vor dem Immunsystem des Wirts.

Zunächst konzentrierten sich Forscher, die die Virusübertragung unterbrechen wollten, auf Lektine, kohlenhydratbindende Proteine, die aus Pflanzen oder Bakterien gewonnen werden und sich als vielversprechende Inhibitoren des Viruseintritts erwiesen. Sie binden sich an die Glykoproteine ​​des Virus und verhindern so dessen Vordringen in die Zelle.

Sie sind jedoch häufig teuer, werden leicht vom Immunsystem des Wirts angegriffen und können für die Zellen des Wirts toxisch sein. Lektin-Mimetika haben viele der Kohlenhydratbindungsfähigkeiten des Lektins, jedoch ohne die teuren und gefährlichen Nebenwirkungen.

Das japanische Team untersuchte PRM-A, ein natürlich vorkommendes Lektin-Imitat. Es hat sich als vielversprechender Viruseintrittshemmer erwiesen, da es Hinweise darauf gibt, dass es an die N-Glykane der Hüllglykoproteine ​​der Viren bindet.

Um die molekulare Grundlage der Bindung zu bestimmen, nutzten sie molekulare Modellierung und führten Bindungstests durch, die die Reaktionen zwischen PRM-A und N-Glycanen während der Bindung messen. Sie führten auch In-vitro-Experimente durch, um die Fähigkeit von PRM-A zu testen, SARS-CoV-2 zu hemmen.

Sie fanden heraus, dass PRM-A selektiv an verzweigte Oligomannosestrukturen bindet, die in N-Glycanen mit hohem Mannose- und Hybrid-Anteil auf viralen Spike-Proteinen vorkommen. Mannose ist der spezifische Zucker, der in diesen N-Glycanen vorkommt. Sie fanden auch heraus, dass PRM-A die Infektiosität von SARS-CoV-2 hemmte. Tatsächlich erfolgte die Hemmung durch die Wechselwirkung zwischen PRM-A und den verzweigten Oligomannose-haltigen N-Glycanen.

„Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass PRM-A eine SARS-CoV-2-Infektion durch Bindung an virale Glykane hemmen kann. Bemerkenswert ist auch, dass PRM-A durch die gleichzeitige Erkennung von zwei terminalen Mannoseresten bevorzugt an verzweigte Oligomannosemotive viraler Glykane bindet. Dieser Befund liefert wichtige Informationen, die zum Verständnis des antiviralen Mechanismus von PRM-A erforderlich sind“, sagte Nakagawa.

Nakagawa und ihr Team arbeiten bereits am nächsten Schritt ihrer Forschung.

„Unser oberstes Ziel ist die Entwicklung von Medikamenten gegen SARS-CoV-2 auf Basis von PRM-A. Die auf Glykane abzielende antivirale Wirkung von PRM-A wurde in den wichtigsten Klassen der bestehenden Chemotherapeutika noch nie beobachtet, was sein Potenzial als vielversprechender Ansatz für antivirale Medikamente mit neuartiger Wirkungsweise unterstreicht.

„Insbesondere angesichts der Tatsache, dass Glykanstrukturen durch virale Mutationen kaum verändert werden, erwarten wir, dass antivirale Medikamente auf PRM-A-Basis gegen mutierte Viren wirksam sein werden. Um dieses Ziel zu erreichen, untersuchen wir derzeit die antivirale Aktivität von PRM-A in vivo an Hamstern und entwickeln außerdem PRM-A-Derivate, die für therapeutische Anwendungen besser geeignet sind“, sagte Nakagawa.