Naukowcy odkryli, w jaki sposób ludzki norowirus tworzy w komórkach specjalne przedziały, które pomagają mu się rozmnażać i rozprzestrzeniać.
Te płynne struktury pełnią rolę ośrodków wytwarzania wirusów, oferując nowe cele w opracowywaniu leków przeciwwirusowych. Zrozumienie tego procesu może prowadzić do lepszych metod leczenia wirusktóra co roku powoduje miliony chorób.
Odkrycie ośrodków replikacji norowirusów
Ludzki norowirus, nić dodatnia RNA wirus, jest główną przyczyną wirusowego zapalenia żołądka i jelit na całym świecie, odpowiedzialną za około 685 milionów infekcji i około 212 000 zgonów każdego roku. Pomimo globalnego wpływu na tego wirusa nie ma obecnie zatwierdzonych szczepionek ani terapii przeciwwirusowych.
Naukowcy z Baylor College of Medicine i MD Anderson Cancer Center na Uniwersytecie Teksasu wykonali kluczowy krok w kierunku opracowania takich terapii. W badaniu opublikowanym dzisiaj (20 grudnia) w Postęp naukidonoszą o odkryciu ośrodków replikacji w ludzkim norowirusie, co może pomóc naukowcom w projektowaniu leków przeciwwirusowych mających zapobiegać infekcjom, zarządzać nimi lub je leczyć.
„Kiedy wirusy infekują komórki, zwykle tworzą wyspecjalizowane przedziały – fabryki replikacji – gdzie tworzą nowe wirusy, które infekują więcej komórek wywołujących chorobę” – wyjaśniła dr Soni Kaundal, pierwsza autorka i adiunkt na Wydziale Biochemii Verna i Marrs McLean. Farmakologia molekularna w Baylor w laboratorium dr BV Venkatarama Prasada, korespondenta autora pracy. „Jednak niewiele wiadomo o fabrykach replikacji norowirusa.
Coraz więcej dowodów wskazuje, że niektóre fabryki replikacji zazwyczaj nie są oddzielone od otoczenia membraną. Zamiast tego są to kondensaty biomolekularne, struktury przypominające bąbelki powstałe w wyniku rozdzielenia faz ciecz-ciecz. Kondensaty te selektywnie zawierają białka i inne materiały potrzebne do replikacji wirusa. Kondensaty przypominające ciecz będące fabrykami replikacji były szeroko badane w przypadku innych wirusów, w tym wirusów wścieklizny i odry. W tym badaniu naukowcy sprawdzili, czy norowirus tworzy kondensaty biomolekularne, które służą jako centra replikacji.
Badanie białek norowirusów
„Wiedzieliśmy, że te kondensaty są często inicjowane przez pojedyncze białko wirusowe zdolne do wiązania materiału genetycznego, posiadające elastyczny region i tworzące oligomery, cząsteczki zbudowane z małej liczby powtarzających się jednostek” – powiedział Kaundal.
Zespół rozpoczął swoje badania od zastosowania analizy bioinformatycznej w celu zidentyfikowania białek norowirusa, które miałyby cechy najprawdopodobniej prowadzące do tworzenia się ciekłych kondensatów.
„Pracując z ludzkim szczepem pandemicznym norowirusa GII.4, odpowiedzialnym za większość przypadków zapalenia żołądka i jelit na świecie, odkryliśmy, że polimeraza RNA zależna od RNA ma największą skłonność do tworzenia kondensatów biomolekularnych” – powiedział Kaundal. „Białko to ma elastyczny region, może tworzyć oligomery, wiąże RNA, materiał genetyczny norowirusa i odgrywa zasadniczą rolę podczas replikacji wirusa, tworząc kopie wirusowego RNA. Wszystkie te cechy skłoniły nas do eksperymentalnego sprawdzenia, czy polimeraza RNA GII.4 napędza tworzenie kondensatów biomolekularnych sprzyjających replikacji wirusa”.
Eksperymentalne spostrzeżenia i przyszłe kierunki
„Nasze badania eksperymentalne pokazują, że polimeraza RNA GII.4 rzeczywiście tworzy bardzo dynamiczne, płynne kondensaty w fizjologicznie odpowiednich warunkach w laboratorium i że elastyczny region tego białka ma kluczowe znaczenie dla tego procesu” – powiedział Prasad, profesor wirusologii molekularnej i mikrobiologii oraz Alvin Romansky, katedra biochemii w Baylor. Prasad jest także członkiem Kompleksowego Centrum Onkologii im. Dana L. Duncana w firmie Baylor. „Co więcej, kondensaty są strukturami bardzo dynamicznymi: kilka z nich może się połączyć, tworząc większą strukturę, lub mogą podzielić się na mniejsze; poruszają się także wewnątrz komórki, wymieniając materiały z otoczeniem.”
Następnie naukowcy sprawdzili, czy te płynne kondensaty powstają również w ludzkich komórkach jelitowych zakażonych ludzkim norowirusem. Do niedawna badanie sposobu replikacji norowirusa w komórkach było trudne, ponieważ badaczom brakowało skutecznego systemu biologicznego, w którym można by hodować wirusa w laboratorium. Wepchnąć się 2016w laboratorium dr Mary Estes w Baylor i jej współpracownikom udało się wyhodować ludzkie szczepy norowirusa w hodowlach enteroidów jelitowych człowieka.
Kultury te, zwane także mini wnętrznościami, stanowią laboratoryjny model ludzkiego przewodu żołądkowo-jelitowego, który odzwierciedla jego złożoność komórkową, różnorodność i fizjologię. Ludzkie enteroidy naśladują specyficzne dla szczepu wzorce infekcji wirusem gospodarza, co czyni je idealnym systemem do analizy infekcji ludzkim norowirusem, jak w bieżącym badaniu, w celu identyfikacji wymagań wzrostu specyficznych dla szczepu oraz opracowania i testowania terapii i szczepionek.
„Wykazaliśmy, że w hodowlach ludzkich enteroidów jelitowych zakażonych ludzkim norowirusem, a także w ludzkiej linii komórkowej HEK293T hodowanej w laboratorium, tworzą się płynne kondensaty. Proponujemy, aby te kondensaty były ośrodkami replikacji ludzkiego norowirusa, co stanowi eleganckie rozwiązanie zagadkowego pytania, w jaki sposób translacja genomu wirusa wspomagana rybosomami jest oddzielana od jego replikacji przez polimerazę wirusową w wirusach RNA o dodatniej nici” – powiedział Prasad. „Nasza analiza bioinformatyczna wykazała również, że polimerazy RNA prawie wszystkich szczepów norowirusów mają dużą skłonność do tworzenia fabryk replikacji, co sugeruje, że może to być powszechne zjawisko w przypadku większości norowirusów”.
„To niezwykły artykuł i cieszę się, że mogliśmy potwierdzić odkrycia dotyczące komórek zakażonych wirusem przy użyciu naszego systemu hodowli ludzkich enteroidów jelitowych na obecność ludzkiego norowirusa” – powiedział Estes, profesor za wybitne zasługi i kierownik katedry wirusologii molekularnej i mikrobiologii molekularnej Fundacji Cullen na Uniwersytecie Cullen Baylora. Estes jest także współdyrektorem rdzenia Gastrointestinal Experimental Model Systems w Texas Medical Center Digestive Diseases Center i członkiem kompleksowego centrum leczenia raka Dana L. Duncana firmy Baylor.
Odkrycia nie tylko dostarczają nowego wglądu w replikację ludzkiego norowirusa, ale także otwierają nowe cele w projektowaniu leków przeciwwirusowych na infekcje ludzkim norowirusem, które pozostają poważnym zagrożeniem u dzieci i pacjentów z obniżoną odpornością.
Odniesienie: „Zależna od RNA polimeraza RNA dominującego ludzkiego norowirusa tworzy kondensaty fazy ciecz-ciecz jako fabryki replikacji wirusa” 20 grudnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adp9333
Inni współautorzy tej pracy to Ramakrishnan Anish, B. Vijayalakshmi Ayyar, Sreejesh Shanker, Gundeep Kaur, Sue E. Crawford, Jeroen Pollet i Fabio Stossi. Autorzy są związani z Baylor College of Medicine i University of Texas, MD Anderson Cancer Center.
Wsparcie dla tego projektu zapewniono z grantu NIH P01 AI057788, grantu Fundacji Roberta Welcha Q1279, Centrum Zaawansowanej Mikroskopii i Informatyki Obrazowej (grant RP170719 Instytutu Zapobiegania i Badań nad Rakiem w Teksasie (CPRIT), Integrated Microscopy Core w Baylor College of Medicine (granty NIH: DK56338, CA125123, ES030285 i S10OD030414) i grant CPRIT RR160029.
