Proteinstruktur beleuchtet, wie Viren Zellen übernehmen

Proteinstruktur beleuchtet, wie Viren Zellen übernehmen

Das Salk Institute und Mitarbeiter zeigen wichtige molekulare Unterschiede zwischen Viren bei der Interaktion mit der Wirts-DNA

LA JOLLA – Mithilfe modernster Bildgebungstechnologie haben das Salk Institute und Harvard Medical School Forscher haben die Struktur eines Proteinkomplexes ermittelt, der ähnliche Viren ermöglicht Human Immunodeficiency Virus (HIV) verursachen dauerhafte Infektionen in ihren Wirten.

Entgegen früheren Annahmen deutet die neu detaillierte Struktur des viralen Proteinkomplexes darauf hin, dass sich diese Art der molekularen Architektur zwischen den Retroviren unterscheidet. Diese Informationen helfen aufzudecken, wie Retroviren ihre genomischen Informationen in menschliche Zellen einschleusen, und könnten nicht nur Auswirkungen auf die Behandlung von Krankheiten wie HIV haben, sondern auch auf die Verbesserung von Gentherapiemethoden, um Patienten mit genetischen Mutationen neue DNA zuzuführen.

„Die Details der Integration von Retroviren unterscheiden sich weitaus stärker als bisher angenommen und führen zu völlig unterschiedlichen Infektionsmustern“, sagt Dmitry Lyumkis, a Salk Fellow und Co-Senior-Autor des neuen Artikels, veröffentlicht in Natur Februar 18, 2016.

Ein Retrovirus fügt seine genetischen Informationen in das eigene Genom des Wirts ein und verwandelt die Zellen des Wirts im Wesentlichen in Virusfabriken. Im Fall des bekannten Retrovirus HIV integrieren sich diese viralen Gene in menschliche Immunzellen und töten diese schließlich ab. Ein seit langem bestehendes Rätsel – teilweise verursacht durch mangelndes Wissen über die Struktur des Proteinkomplexes – ist die Frage, wo die virale DNA in das menschliche Genom eingefügt wird.

Ein Proteinkomplex namens Intasom ist für die irreversible Einfügung viraler DNA in menschliche DNA verantwortlich, ein entscheidender Schritt, damit Retroviren Krankheiten verursachen können. Da es schwierig ist, das HIV-Intasomen selbst zu untersuchen, basieren die meisten Erkenntnisse über Intasomen auf Arbeiten mit einem anderen Retrovirus, dem Prototyp-Foamy-Virus (PFV). Angesichts der probenbezogenen Herausforderungen im Zusammenhang mit HIV-Intasomen machten sich Lyumkis und Engelman zusammen mit ihrem Kollegen Peter Cherepanov vom Francis Crick Institute daran, die Struktur des Intasomes des Mouse Mammary Tumor Virus (MMTV) zu bestimmen, was in gewisser Weise der Fall ist steht in engerem Zusammenhang mit HIV als PFV.

„Die MMTV-Intasomenstruktur definiert ein unerwartetes neues Paradigma für die strukturelle Basis der retroviralen DNA-Integration“, sagt Co-Hauptautor Alan Engelman, Professor für Medizin am Dana-Farber Cancer Institute und der Harvard Medical School.

Um die Molekülstruktur von MMTV zu bestimmen, nutzte das Team eine aufstrebende Technik namens Kryo-Elektronenmikroskopie (CryoEM), ein Ansatz, der gegenüber herkömmlichen Bildgebungstechniken mehrere Vorteile bietet. Beispielsweise müssen Forscher Proteine ​​nicht in Kristallformen bringen, um sie abzubilden, ein Zufallsprozess, der für die häufigere Technik der Röntgenkristallographie erforderlich ist. Bei der KryoEM werden Proteine ​​stattdessen direkt in einer flüssigen Lösung eingefroren. Anschließend können Wissenschaftler die Struktur der Proteine ​​bestimmen, indem sie messen, wie Elektronenstrahlen von den gefrorenen Proben abgelenkt werden.

Lyumkis nutzte diese Spitzentechnologie, um die Struktur von MMTV-Intasomen zu beschreiben, die an Stränge viraler DNA gebunden sind (wie die Struktur aussehen würde, wenn sie in eine Wirtszelle eindringt). Das Team fand heraus, dass der PFV-Komplex aus vier Proteinkomponenten, sogenannten Integrasen, besteht, die an zwei Stränge viraler DNA gebunden sind, während die MMTV-Anordnung acht Integrase-Moleküle pro zwei Stücke viraler DNA aufweist.

Dieser entscheidende strukturelle Unterschied, sagt Lyumkis, bedeutet, dass die Komplexe anders mit der Wirts-DNA interagieren, wenn sie bereit sind, virale DNA in das Genom einzufügen. PFV bevorzugt Stellen im Wirtsgenom, die stark gebogen sind, während MMTV gerade DNA-Abschnitte wählt. Die Präferenz für HIV bleibt ein Rätsel, aber die neuen Beobachtungen bieten einen unerwarteten molekularen Rahmen, innerhalb dessen vergangene und zukünftige Daten zu HIV und anderen Retroviren interpretiert werden können.

Die Teams von Lyumkis und Engelman arbeiten nun daran, die Reihe von Ereignissen zu verstehen, die der MMTV-Intasomenkomplex während der Schritte der viralen Integration durchläuft, von der Bindung viraler DNA über das Einfangen von Wirts-DNA bis hin zur Katalyse der Insertion viraler DNA in das Genom des Wirts. Lyumkis plant außerdem, KryoEM-Techniken anzuwenden, um den HIV-Intasomen-Molekülkomplex selbst zu untersuchen. „Die technologische Infrastruktur ist vorhanden, also denke ich, dass wir diese heiklen und sich schlecht benehmenden Proben jetzt mit KryoEM in Angriff nehmen können“, fügt Lyumkis hinzu.

Weitere Forscher an der Studie waren Allison Ballandras-Colas und Tamaria G. Dewdney von der Dana-Farber-Krebsinstitut und Harvard Medical School; Monica Brown vom Salk Institute; Nicola J. Cook und Peter Cherepanov von der Francis-Crick-Institut; und Borries Demeler von der Gesundheitswissenschaftliches Zentrum der Universität von Texas.

Die Arbeit und die beteiligten Forscher wurden durch Zuschüsse des gefördert National Institutes of Health, hat das Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust, hat das National Science Foundation und das San Antonio Cancer Institute.