Wie Viren infektiös werden
Bei der Reifung wandelt sich durch eine größere Konformationsänderung in der Hülle von Hüllproteinen das Prokapsid zum Kapsid, in dem das Genom verpackt wird. Der Siphophage HK97 ist ein Modellsystem, aus dem Zwischenprodukte isoliert werden können, an denen sich wiederum die zugrunde liegenden strukturellen Übergänge untersuchen lassen. Das EU-finanzierte Projekt "Structural studies of HK97 bacteriophage assembly and maturation" (HK97 MATURATION) befasste sich mit der mechanisch-chemischen Umstrukturierung und den damit verbundenen mechanistischen, thermodynamischen und energetischen Prozessen. Auf dieser Basis können dann gezielte Therapien mit HK97 als Abgabesystem für nanotechnologische medizinische Anwendungen entwickelt werden. Die Assemblierung von HK97 geschieht in mehreren Phasen (Selbstassemblierung des Prokapsids, enzymatische Proteolyse, Expansion (größere Konformationsänderung) und kovalente Vernetzung), wobei die Dynamik mit Veränderungen der freien Energie einhergeht. Insbesondere wird die Kaskade durch irreversible Proteolyse- und Vernetzungsprozesse unterbrochen, was kinetische Barrieren abbaut und den neuen Formationen Stabilität verleiht. Gearbeitet wurde mit einer Mutation in einer HK97-Untereinheit (Protease-frei), die die Bildung von Quervernetzungen oder ähnlichen nicht-kovalenten Wechselwirkungen verhindert, sowie einem spezialisierten Expressionssystem, mit dem die Reifung in der ersten Expansionsstufe (Expansion Intermediate I) gestoppt wird, bevor es zur Vernetzung kommt. Diese Zwischenprodukte wurden mit reifen Kapsid II-Partikeln aus dem Protease-beladenen Prokapsid I verglichen. Die Charakterisierung erfolgte mit modernster Kryo-Elektronenmikroskopie (Röntgenkristallographie, Elektronenmikroskopie und Tomographie) an Einzelpartikeln. Die Versuche brachten neue Erkenntnisse zur mechanischen Rolle der Brownschen Ratsche bei der Reifung. Die Theorie der Brownschen Ratsche besagt, dass außerhalb des thermischen Gleichgewichts Schwankungen unter besonderen Bedingungen mechanische Kraft und Bewegung induzieren können. Es wurde in hohem Maße auf Modelle molekularer Motoren angewandt. Die Forscher ermittelten die nanoskalige Struktur des vernetzungsfreien Partikels Expansion Intermediate I. Die beobachteten Konformationen der Untereinheiten der Hülle lassen vermuten, dass der freigesetzte strukturelle Stress Energie zuführt, die die Vernetzung und Kapsidreifung ermöglicht. Weiterhin scheint die Exothermik der Reifung auf Wechselwirkungen zu beruhen, die die nachgeschalteten Zwischenstufen stabilisieren. HK97 MATURATION enthüllte Mechanismen, die den Übergang des Virus vom zunächst nicht-infektiösen, fragilen Partikel zu einem sehr stabilen und infektiösen Virion markieren. Die Arbeit leistet damit der zukünftigen Entwicklung antiviraler Therapien für eine Vielzahl von Infektionskrankheiten Vorschub.
Schlüsselbegriffe
Kapsid, Virus, HK97, Bakteriophage, Expansionsstufe, vernetze Bildung
