Het genetisch materiaal in virussen kan niet lang overleven zonder een beschermende laag van eiwitten. Het proces waarbij deze eiwitten zich assembleren om het virale genoom in te kapselen (en dus te beschermen) wordt echter niet goed begrepen – vooral niet voor coronavirussen, die zeer grote RNA-genomen hebben. Een paar onderzoekers van de University of California in Riverside, VS en het Songshan Lake Materials Laboratory in China hebben nu de interacties geïdentificeerd die spelen tijdens de assemblage van SARS-CoV-2, het coronavirus dat COVID-19 veroorzaakt, en hebben onderzocht hoe deze interacties leiden tot het inpakken van het genoom in een nieuw virion. Het werk zou kunnen helpen bij het ontwerpen en ontwikkelen van medicijnen om dit en andere coronavirussen te bestrijden.
SARS-CoV-2 bevat vier structurele eiwitten: envelop (E); membraan (M); nucleocapside (N); en spijker (S). De M-, E- en S-eiwitten zijn van vitaal belang voor het samenstellen en vormen van de buitenste laag of envelop van het virus, die het virus helpt gastheercellen binnen te dringen en het te beschermen tegen schade.
Compact ribonucleoproteïnecomplex
In het nieuwe werk, UC-Riverside natuurkundige Roya Zandi en haar voormalige afgestudeerde student Siyu Li (die nu een postdoc is bij Songhan Lake) gebruikte computationele tools die bekend staan als grofkorrelige modellen om te simuleren hoe SARS-CoV-2 zich vormt uit deze samenstellende delen. Deze modellen bootsen virale componenten na op grote lengteschalen en bieden waardevolle informatie over virusassemblageprocessen.
Met behulp van deze modellen berekende het tweetal dat de N-eiwitten het virale RNA condenseren om een zogenaamd compact ribonucleoproteïnecomplex te vormen, een samenstel van moleculen bestaande uit zowel eiwit als RNA. Deze assemblage interageert vervolgens met de M-eiwitten ingebed in het lipidemembraan. Ten slotte vindt er een proces plaats dat bekend staat als het "ontluiken" van het ribonucleoproteïnecomplex, waardoor de virale vorming wordt voltooid.
Interactie tussen N-eiwitten is erg belangrijk
De onderzoekers baseerden de vorm van het N-eiwit in hun model op een bekende structuur uit de literatuur. "RNA is een negatief geladen polymeer en er zitten veel positieve ladingen in de N-eiwitten", legt Zandi uit. "De interactie tussen de positieve ladingen op N-eiwitten en negatieve ladingen op RNA resulteert in de condensatie van RNA."
Zandi vertelt Natuurkunde wereld dat de interacties tussen N-eiwitten erg belangrijk bleken te zijn bij RNA-condensatie. "We wisten niet van dit effect voordat we onze simulaties uitvoerden", voegt ze eraan toe.
Het paar modelleerde ook de M-eiwitten op basis van hun structuur en functie zoals beschreven in de literatuur. Ze ontwierpen deze eiwitten zo dat ze interageren met de N-eiwitten en ook het membraan buigen. "Het grofkorrelige model heeft ons in staat gesteld de mechanismen van eiwitoligomerisatie, RNA-condensatie door structurele eiwitten en de membraan-eiwitinteracties te begrijpen, en de factoren te voorspellen die de virusassemblage beheersen", legt Li uit.
Superresolutiemicroscopie onthult coronavirus-replicerende machines
In het verleden merkt Zandi op dat het begrijpen van de factoren die bijdragen aan de opbouw van virussen vaak heeft geleid tot nieuwe therapeutische strategieën. Volgens haar zijn de bevindingen van dit onderzoek, dat in detail wordt beschreven in het tijdschrift Virussen, zou op dezelfde manier kunnen helpen de middelen te bieden om SARS-CoV-2 te bestrijden. "Het assemblagemechanisme dat we hebben opgegraven, zou het ontwerp en de ontwikkeling van kleine moleculen kunnen ondersteunen die zich richten op de eiwitten van de virale structuur, waardoor hun functies worden gewijzigd om de getrouwheid van het assemblageproces te verstoren", zegt ze.
Op de langere termijn denkt Zandi dat het nieuwe werk zelfs een maatstaf kan worden voor experimenten en microscopische simulaties van alle atomen. "We werken momenteel samen met experimentele en computationele groepen voor de volgende fase van ons onderzoek", onthult ze. "Uiteindelijk streven we ernaar om onderzoek op meerdere schaal te verbinden om de voortdurende ontwikkeling van antivirale geneesmiddelen te bevorderen om coronavirussen in hun assemblagefase te stoppen."
