Juli 20, 2015

Fynd ger potentiellt nytt mål för att störa virusets livscykel

By Jocelyn Duffy / 412-268-9982 / [email protected]

Alla virus har industriellt starka skal som omger och skyddar det genetiska materialet, vilket gör det möjligt för viruspartiklarna att förbli stabila, smittsamma och kunna spridas. Alex Evilevitch, biofysiker vid Carnegie Mellon University, och hans kollegor har nu identifierat det hårda skalets akilleshäl.

Fyndet, som publiceras i Journal of Virology, den främsta tidskriften på området, pekar ut den svagaste delen av virusskalet och ger ett potentiellt nytt mål för att störa virusets livscykel och för att utveckla stabila leveranser av genterapi.

Virus som Herpes Simplex 1 och Phage Lambda har hårda yttre skal (grått) som omsluter och skyddar virusets DNA (grönt). Alex Evilevitch och kollegor har nu identifierat det hårda skalets akilleshäl, virusportalen (röd). Bilderna ovan är Cryo EM-rekonstruktioner; portalen är överlagrad.

Det yttre skalet, som kallas capsid, omsluter virusets genetiska material. Virus som Herpes Simplex virus typ 1 (HSV-1) innehåller dubbelsträngat DNA, vars långa strängar är tätt packade och utövar ett enormt tryck, upp till tiotals atmosfärer, på den inre capsidväggen. I tidigare arbeten har Evilevitch för första gången mätt detta tryck i HSV-1. Han har också visat att det är detta tryck som driver DNA ut ur en liten portal i virusets capsid och in i en värdcell.

Med sin senaste forskning avslöjar Evilevitch och fysikdoktoranden David Bauer att portalen är mer än bara en kanal för DNA. Den är också den svagaste strukturella delen av kapsiden.

”Det mest spännande här är att vi för första gången har visat hur DNA-trycket påverkar portalens stabilitet, vilket i slutändan bestämmer virusets stabilitet över tiden vid vilken temperatur som helst”, säger Evilevitch, docent i fysik och medlem av CMU:s Center for the Mechanics and Engineering of Cellular Systems.

Portalen är en kritisk komponent i viruskapsider. Portalkomplexet, som består av flera olika proteiner, paketerar aktivt DNA under viral sammansättning, frigör DNA under infektion och, som den nya forskningen avslöjar, är nyckeln till att upprätthålla capsidens känsliga balans mellan att vara tillräckligt stabil för att behålla genomet och att vara tillräckligt instabil för att möjliggöra en effektiv frigörelse av genomet under infektionen.

”I tidigare experiment har man undersökt vilken roll det inre trycket spelar för den strukturella integriteten hos virala capsider”, säger Evilevitch. ”Här ger vi de första experimentella bevisen för att det är den mekaniska styrkan hos själva portalkomplexet som avgör virusets stabilitet när det gäller att behålla genomet.”

”Det mest spännande här är att vi för första gången har visat hur DNA-trycket påverkar portalkomplexets stabilitet, vilket i slutändan bestämmer virusets stabilitet över tiden vid alla temperaturer.” – Alex Evilevitch

I studien undersökte Evilevitch och hans team portalkomplexets stabilitet i tre olika virus – två virus som infekterar bakterier (Lambda och P22) och ett som infekterar mänskliga celler (HSV-1). Alla tre virus innehåller dubbelsträngat DNA som utövar tryck på capsidväggen.

Med hjälp av ett nytt test med differentiell skanning av mikrokalorimetri som de utvecklat värmde forskarna virusproverna och upptäckte den temperatur vid vilken portalen öppnas för att släppa ut DNA. Den temperaturen återspeglar portalens mekaniska stabilitet.

För varje typ av virus som de studerade skapade forskarna mutantstammar av viruset genom att variera längden på det paketerade DNA:t inom viruset och på så sätt skapa mutanter med olika inre tryck. Resultaten av testerna visade att mutanter med mer paketerat DNA och därmed mer tryck släppte ut sitt DNA genom portalen vid en lägre temperatur. Detta resultat tyder på att den mekaniska kraften från genomet som trycker mot virusets portal destabiliserar det och gör det benäget att bryta upp.

För övrigt jämförde forskargruppen temperaturen för DNA-frisättning för de tre olika virustyperna. Resultaten visade på en ökad portalstabilitet för virus som har längre genom och därför har högre tryck inuti.

”Våra resultat tyder på att portalkomplexet har utvecklats för att motstå den utåtriktade kraften från det paketerade genomet balanserat mot kravet på effektiv DNA-frisättning under infektionen”, säger Evilevitch. ”Ytterligare förståelse av denna balans mellan inre tryck och portalstabilitet ger nya insikter för att störa viral replikation, samt för att designa virala vektorer för genterapi som stabilt kan behålla främmande nukleinsyra.”

Inom Evilevitch och Bauer är följande forskare involverade i projektet: De som deltar i projektet är Dong Li från CMU, Fred Homa och Jamie Huffman från University of Pittsburgh School of Medicine, Kasandra Wilson, Justin Leavitt och Sherwood Casjens från University of Utah School of Medicine samt Joel Baines från Louisiana State University School of Veterinary Medicine.

Denna forskning finansierades av Vetenskapsrådet och National Science Foundation (CHE-1152770 till AE) med ytterligare stöd från Public Health Service-bidrag och ett utbildningsbidrag från National Institutes of Health.