Forscher finden neuen Weg zur Bekämpfung von Grippeviren

HOUSTON – Es gibt einen Haken im Schwung eines Proteins, das das Grippevirus abgibt. Wissenschaftler der Rice University und des Baylor College of Medicine glauben, dass dieser Mechanismus ein nützliches Ziel sein könnte, um das Virus daran zu hindern, Zellen zu infizieren.

In einer Arbeit der Proceedings der National Academy of Sciences taucht das Rice-Baylor-Team um den Biophysiker José Onuchic und die Biochemiker Jianpeng Ma und Qinghua Wang weiter in ein Glykoprotein ein komplex es fing an, in der Arbeit 2014 zu bestimmen.

Dieses Protein, Hämagglutininsitzt auf der Oberfläche von Grippeviren und hilft ihnen, sich an die schützenden Membranen von Zielzellen anzuheften und durch diese zu transportieren.

Die Arbeit beginnt, den Mechanismus zu definieren, der es dem Protein ermöglicht, sich schnell zu entfalten und wieder zu falten, wobei es seine Form ändert, um ein Peptid freizulegen, das das Virus an eine Zelle bindet und mit der Infektion beginnt. Die Forscher glauben, dass therapeutische Medikamente diesen Mechanismus nutzen können, um das Virus zu stoppen.

"Dieses Protein beginnt in einem gefalteten Zustand und durchläuft eine globale Transformation, die sich in einem völlig anderen Zustand wiederfaltet", sagte Onuchic, Co-Direktor von Rice Zentrum für theoretische biologische Physik (CTBP ). "Aber es gibt einen kleinen Teil im Zentrum, den die Evolution bewahrt hat."

Dieser einzelne konservierte Aminosäurerest ist die Kupplung, die das Protein bei der Rückfaltung innehalten lässt. Es erlaubt einem Fusionspeptid, das darin verborgen ist, sich an die Zielzelle zu binden und es zu infizieren. Ohne die Pause wäre die Rückfaltung zu schnell, als daß eine Bindung stattfinden könnte.

Leitender Autor und Reis-Postdoc-Forscher Xingcheng Lin modellierte diesen Teil des Proteins, die B-Schleife der HA2-Domäne. HA2 befindet sich unter einer anderen Domäne, einer Kappe, die als HA1 bekannt ist und mutiert, um an der Verteidigung vorbeizukommen. Lin erklärte, dass HA1 ein übliches Ziel für Grippemedikamente ist, da die exponierte Cap-Domäne zugänglicher ist als die geschützte HA2-Domäne.

Das Problem ist, dass HA1 ständig mutiert, um Drogen zu widerstehen, sagte er. Das beeinflusst, wie effektiv Grippeimpfungen jedes Jahr sind. Lin und Onuchic sagten, dass HA2 ein besseres Ziel für Medikamente darstellt, da der Mechanismus durch die Evolution hoch konserviert ist.

"Wenn ein Medikament HA2 angreift, kann die Domäne nicht durch Mutationen entkommen, weil die Mutationen selbst es nicht funktionell machen würden", sagte Lin. "Diese Art von Droge könnte ein universeller Impfstoff werden."

HA2 ist eine trimere Strukturdie sich, ausgelöst durch saure Bedingungen in der Umgebung einer Zielzelle, von einer Zufallsschleife in eine Coiled Coil umwandelt. Selbst mit der Pause entfaltet und entfaltet es sich in Sekundenbruchteilen, viel zu schnell, als dass es ein Mikroskop sehen könnte. Aber eine Computersimulation des Prozesses kann verlangsamt werden.

Das ist eine Spezialität der CTBP, die Programme verwendet, die die Energielandschaft von Proteinen analysieren, um vorherzusagen, wie sie falten werden. Onuchic und seine Kollegen sind Pioniere in der Theorie, dass faltende Proteine ​​einem geordneten " trichterierten" – Prozess folgen, der von der intrinsischen Energie jedes Atoms in der Kette abhängt, von denen jedes ständig seine niedrigste Energie sucht Staat. Wenn alle atomaren "Perlen" identifiziert werden können, ist es möglich, den komplexen Faltprozess zu simulieren.

Die Reisforscher verwenden oft grobkörnige Modelle von Proteinen, einer Untergruppe von Atomen, die das Ganze repräsentieren, um vorherzusagen, wie sie sich falten werden. Die neue Studie war viel ambitionierter und sollte die komplexe Entfaltung und Rückfaltung vorhersagen, indem nicht nur jedes Atom in der Kette, sondern auch jedes Atom in seiner flüssigen Umgebung verwendet wird, so Onuchic.

Lin modellierte 40 Mikrosekunden (Millionstelsekunden) des HA2-Domänenübergangs, der den gesamten Prozess darstellt, der 1,4 Millisekunden (Tausendstelsekunden) in Anspruch nimmt. Selbst dieser verkürzte Prozess benötigte zwei Jahre Computerzeit, um Ergebnisse zu liefern, sagte er.

"Die simulierte Domäne besteht aus etwa 3000 Atomen, aber wenn die Umwelt, einschließlich Wasser, berücksichtigt wird, umfasst die Gesamtsimulation etwa 100.000 Atome", sagte Onuchic. "Es ist immer noch eine enorme Simulation, die State-of-the-Art-Techniken erfordert."

Frühere Theorien, die auf kristallographischen Bildern der Vorher-Nachher-Proteine ​​basierten, legten die Idee einer federbeladenen Domäne nahe, die nach der Entfernung der Kappe an der Zielzelle zu haften schien. Onuchic sagte, dass das komplette Modell von HA2 einen anderen Mechanismus unterstützt.

"Wir haben herausgefunden, dass es eine Menge Energie gibt, die den Endzustand von HA2 viel stabiler macht als den Ausgangszustand", sagte er. "Aber mit dem federbelasteten Mechanismus würde der größte Teil der Energie bereits verschwendet werden, wenn er die Coiled Coil bildet und die Zell- und Virusmembranen bindet. Es würde keine Energie zurücklassen, um die Membranen zusammenzuziehen.

"Deshalb haben wir uns entschieden, das System vollständig zu berechnen – alle Atome des Proteins und das ganze Wasser", sagte Onuchic. "Es war eine gigantische Anstrengung."

Der konservierte hydrophile (wasseranziehende) Rest, der als Thr59 bekannt ist, ist für die Forscher von besonderem Interesse, nicht nur wegen der Art, wie er die Faltung stört und das Virus angreift, sondern auch, weil er einen Zwilling hat.

"Im vollständigen Evolutionsbaum fallen diese Viren in zwei Gruppen, und der Unterschied scheint dieser Rückstand zu sein", sagte Onuchic. "Sie haben sich vor 1.500 Jahren gespalten, und irgendwie sind sie nach dieser Trennung vollständig erhalten. Sie waren nicht in der Lage, diese Rückstände zu verändern, egal was passiert, und wir glauben, dass dies für die Rückstände wichtig ist. "

Die aktuelle Forschung konzentrierte sich auf die Gruppe, die Thr59 mit einbezieht und die H3N2 -Stamm verantwortlich für die Hong Kong-Grippe verursacht, sagte Lin. Der andere Rest, Met59, erscheint in dem Stamm H1N1der die Spanische Grippe verursachte.

"Wir haben noch einen langen Weg vor uns, um das gesamte Protein zu verstehen", sagte er. "Hier haben wir nur eine Domäne eines Proteins untersucht, und es gibt mehrere andere, die für seine Funktion sehr wichtig sind."

"Aber was Xingcheng bereits getan hat, ist eine Computertour", fügte Onuchic hinzu. "Er zeigte, wie dieser spezielle Rest die Helix-Symmetrie der Domäne aufbricht und sie instabil genug macht, um dem Peptid Zeit zu geben, die Membranen zu ergreifen."

Der ehemalige Reis-Postdoktorand Jeffrey Noel, heute Humboldt-Stipendiat am Max-Delbrück-Centrum in Berlin, ist Co-Autor der Arbeit. Onuchic ist Rice Harry C. und Olga K. Wieß Professor für Physik und Astronomie. Ma ist Professor für Bioengineering bei Rice und der Lodwick T. Bolin Professor für Biochemie in Baylor. Wang ist Assistenzprofessor für Biochemie und Molekularbiologie in Baylor.

Die Forschung wurde von der National Science Foundation (NSF), der Welch Foundation und den National Institutes of Health unterstützt. Rice-Computing-Ressourcen wurden von dem von NSF unterstützten Supercomputer DAVinCI, dem Supercomputer BlueBioU und dem vom Center for Research Computing verwalteten NOTS-Cluster zur Verfügung gestellt und in Zusammenarbeit mit Rice Ken Kennedy Institut für Informationstechnologie bezogen ]. Die Forscher verwendeten auch den Anton-Supercomputer im Pittsburgh Supercomputing Centre, der von D.E. Shaw Researchsowie der von der NSF unterstützte Extreme Science and Engineering Discovery Environment Supercomputer.

Reis-Universität

Tags: