Det genetiska materialet inuti virus kan inte överleva länge utan en skyddande beläggning av proteiner. Processen genom vilken dessa proteiner samlas för att kapsla in (och därför skydda) det virala genomet är dock inte väl förstått - särskilt för coronavirus, som har mycket stora RNA-genom. Ett par forskare vid University of California i Riverside, USA och Songshan Lake Materials Laboratory i Kina har nu identifierat de interaktioner som pågår under monteringen av SARS-CoV-2, coronaviruset som orsakar COVID-19, och utforskat hur dessa interaktioner leda till att genomet packas in i ett nytt virion. Arbetet kan hjälpa till med design och utveckling av läkemedel för att bekämpa detta och andra coronavirus.
SARS-CoV-2 innehåller fyra strukturella proteiner: hölje (E); membran (M); nukleokapsid (N); och spets (S). M-, E- och S-proteinerna är avgörande för att sätta ihop och bilda virusets yttersta lager, eller hölje, som hjälper viruset att komma in i värdcellerna och skyddar det från skador.
Kompakt ribonukleoproteinkomplex
I det nya arbetet, UC-Riverside fysiker Roya Zandi och hennes tidigare doktorand Siyu Li (som nu är postdoc vid Songhan Lake) använde beräkningsverktyg kända som grovkorniga modeller för att simulera hur SARS-CoV-2 bildas från dessa beståndsdelar. Dessa modeller efterliknar virala komponenter i stor skala och ger värdefull information om virussammansättningsprocesser.
Med hjälp av dessa modeller beräknade paret att N-proteinerna kondenserar det virala RNA:t för att bilda ett så kallat kompakt ribonukleoproteinkomplex, som är en sammansättning av molekyler som består av både protein och RNA. Denna sammansättning interagerar sedan med M-proteinerna inbäddade i lipidmembranet. Slutligen sker en process känd som "knoppning" av ribonukleoproteinkomplexet, vilket fullbordar den virala bildningen.
Interaktion mellan N-proteiner är mycket viktig
Forskarna baserade formen på N-proteinet i sin modell på en välkänd struktur som beskrivs i litteraturen. "RNA är en negativt laddad polymer och det finns många positiva laddningar i N-proteinerna," förklarar Zandi. "Interaktionen mellan de positiva laddningarna på N-proteiner och negativa laddningar på RNA resulterar i kondensering av RNA."
Zandi berättar Fysikvärlden att interaktionerna mellan N-proteiner visade sig vara mycket viktiga vid RNA-kondensering. "Vi visste inte om den här effekten innan vi utförde våra simuleringar", tillägger hon.
Paret modellerade också M-proteinerna baserat på deras struktur och funktion som beskrivs i litteraturen. De designade dessa proteiner så att de interagerar med N-proteinerna och även böjer membranet. "Den grovkorniga modellen har gjort det möjligt för oss att förstå mekanismerna för proteinoligomerisering, RNA-kondensering av strukturella proteiner och membran-proteininteraktioner, förutsäga de faktorer som styr virussammansättningen," förklarar Li.
Superupplösningsmikroskopi avslöjar koronavirus-replikerande maskiner
Tidigare har Zandi noterat att förståelsen av de faktorer som bidrar till virusbildningen ofta har lett till nya terapeutiska strategier. Enligt hennes uppfattning, resultaten från denna forskning, som är detaljerad i tidskriften Virus, skulle på liknande sätt kunna bidra till att tillhandahålla medel för att bekämpa SARS-CoV-2. "Den sammansättningsmekanism vi har grävt fram kan informera designen och utvecklingen av små molekyler som riktar sig mot virusstrukturproteinerna, och modifiera deras funktioner för att störa monteringsprocessens trohet", säger hon.
På längre sikt tror Zandi att det nya verket till och med kan bli ett riktmärke för experiment och mikroskopiska simuleringar av alla atomer. "Vi samarbetar för närvarande med experimentella och beräkningsgrupper för nästa steg i våra undersökningar", avslöjar hon. "I slutändan strävar vi efter att koppla samman multiskalig forskning för att främja den fortsatta utvecklingen av antivirala läkemedel för att stoppa coronavirus i deras monteringsstadium."
