Das jüngste Wiederauftreten und der Ausbruch des Affenpockenvirus Mpox hat Pockenviren erneut zu einer Bedrohung für die öffentliche Gesundheit gemacht und wichtige Lücken im Kernwissen über Pockenviren aufgezeigt. Nun hat ein Forschungsteam am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) das Geheimnis der Kernstruktur von Pockenviren gelüftet, indem es verschiedene Kryo-EM-Techniken mit molekularer Modellierung kombinierte.
Diese Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Structural & Molecular Biology veröffentlicht und werden künftige therapeutische Forschungen unterstützen, die auf den Kern von Pockenviren abzielen.
Das Variolavirus ist das berüchtigtste Pockenvirus und eines der tödlichsten Viren für den Menschen. Es verursachte verheerende Schäden durch die Entstehung der Pocken, die erst 1980 ausgerottet werden konnten. Die erfolgreiche Ausrottung war dank einer umfangreichen Impfkampagne mit einem anderen Vacciniavirus möglich. Das erneute Auftreten und der Ausbruch des Affenpockenvirus in den Jahren 2022–2023 erinnert uns erneut daran, dass Viren immer Wege finden werden, wieder in den Vordergrund der Bedrohungen für die öffentliche Gesundheit zu rücken. Wichtig ist, dass dadurch grundlegende Fragen zu Pockenviren hervorgehoben werden, die bis heute unbeantwortet bleiben.
Dabei steht eine der grundsätzlichen Fragen im Mittelpunkt: „Wir wissen, dass ein Pockenvirus nur dann infektiös ist, wenn sein Viruskern korrekt gebildet ist. Doch woraus besteht dieser Pockenviruskern und wie passen seine Bestandteile zusammen und funktionieren?“ fragte Florian Schur, korrespondierender Autor der Studie und Assistenzprofessor an der International Association for Science and Technology.
Schur und sein Team haben nun das fehlende Glied gefunden: ein Protein namens A10. Interessanterweise ist A10 ein Protein, das allen klinisch relevanten Pockenviren gemeinsam ist.
Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass A10 einer der Hauptbestandteile des Pockenviruskerns ist. Dieses Wissen könnte zukünftige Forschungen zu Therapien unterstützen, die auf den Kern von Pockenviren abzielen.
Der virale Kern ist einer der gemeinsamen Faktoren aller infektiösen Pockenviren. „Frühere Experimente in der Virologie, Biochemie und Genetik schlugen mehrere mögliche Kernproteine für Pockenviren vor, es standen jedoch keine experimentell abgeleiteten Strukturen zur Verfügung“, sagte Julia Datler, Co-Erstautorin der Studie und Doktorandin am International Institute of Science and Technology. "
Daher nutzte das Forschungsteam zunächst das mittlerweile berühmte, auf künstlicher Intelligenz basierende Molekularmodellierungstool AlphaFold, um rechnerische Vorhersagen für das Hauptkandidaten-Kernproteinmodell durchzuführen. Gleichzeitig legte Datler die biochemischen und strukturellen Grundlagen für das Projekt und stützte sich dabei auf ihren virologischen Hintergrund und die Hauptkompetenz der Shure-Gruppe: Kryo-Elektronenmikroskopie, kurz Kryo-EM.
„Wir haben modernste Kryo-Elektronenmikroskopie-Techniken mit der molekularen Modellierungstechnologie AlphaFold kombiniert. Dies gab uns den ersten detaillierten Blick auf den Pockenvirus-Kern – den ‚Safe‘ oder ‚Bioreaktor‘ im Inneren des Virus, der das virale Genom einkapselt und es in infizierte Zellen freisetzt“, sagte Schur.
„Es war ein bisschen ein Glücksspiel, aber am Ende haben wir die richtige Kombination von Techniken gefunden, um dieses komplexe Problem zu untersuchen“, sagte Postdoc Jesse Hansen, Co-Erstautor der Studie.
Forscher am International Institute of Science and Technology untersuchten „lebende“ reife Viren des Vacciniavirus und gereinigte Pockenviruskerne aus jedem möglichen Blickwinkel.
„Wir haben ‚klassische‘ Einzelpartikel-Kryo-Elektronenmikroskopie, Kryo-Elektronen-Tomographie, Teilbildmittelung und AlphaFold-Analyse kombiniert, um eine ganzheitliche Sicht auf den Kern des Pockenvirus zu erhalten“, sagte Datler. „Mit der Kryo-Elektronentomographie können Forscher Bilder aufnehmen, während sie die Probe schrittweise neigen, um das dreidimensionale Volumen einer biologischen Probe zu rekonstruieren, die so groß ist wie das gesamte Virus.“
„Es ist, als würde man einen CT-Scan eines Virus durchführen. Die Kryo-Elektronentomographie ist die ‚Spezialität‘ unseres Labors und ermöglicht es uns, eine Auflösung im Nanometerbereich des gesamten Virus, seines Kerns und seines Inneren zu erhalten.“
Darüber hinaus konnten die Forscher das AlphaFold-Modell wie ein Puzzle in die beobachteten Formen einpassen und die Moleküle identifizieren, die den Kern des Pockenvirus bilden. Unter ihnen sticht das mögliche Kernprotein A10 hervor und wird zu einem der Hauptbestandteile. „Wir haben herausgefunden, dass A10 wichtige Strukturelemente des Pockenvirus-Kerns definiert“, sagte Datler.
Diese Erkenntnisse sind eine wichtige Quelle für die Interpretation der in den letzten Jahrzehnten generierten strukturellen und virologischen Daten.
Der Weg zu diesen Entdeckungen war nicht einfach. „Wir müssen von Anfang an unseren eigenen Weg finden“, sagte Datler.
Datler nutzte ihr Fachwissen in Biochemie, Virologie und Strukturbiologie, um Vaccinia-Virusproben zu isolieren, zu vermehren und zu reinigen und Protokolle zur Reinigung intakter Viruskerne zu entwickeln und gleichzeitig Strukturstudien dieser Proben zu optimieren. „Strukturell sind diese Viruskerne äußerst schwer zu untersuchen. Aber glücklicherweise haben sich unsere Beharrlichkeit und unser Optimismus ausgezahlt.“
ISTA-Forscher sind davon überzeugt, dass ihre Ergebnisse eine Wissensplattform für zukünftige Therapien bieten könnten, die auf den Kern von Pockenviren abzielen.
„Wir könnten beispielsweise den Einsatz von Medikamenten in Betracht ziehen, um die virale Kernassemblierung zu verhindern oder sogar die virale DNA während einer Infektion abzubauen und freizusetzen“, schloss Schur. „Letztendlich wird uns die hier durchgeführte grundlegende Virusforschung ermöglichen, uns besser auf mögliche zukünftige Virusausbrüche vorzubereiten.“
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily