Bildmetoden kallad kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) gör det möjligt för forskare att visualisera formerna av biologiska molekyler med en oöverträffad detaljnivå. Nu, ett team som leds av forskare från Salk Institute och University of Florida rapporterar hur de använde cryo-EM för att visa strukturen för en version av ett virus som kallas AAV2, att utveckla teknikens kapacitet och virusets potential som ett transportmedel för genterapier.

"Det är inte en överdrift att säga att detta är en av de bästa cryo-EM-strukturerna som någonsin har uppnåtts inom detta område, "säger Salk biträdande professor Dmitry Lyumkis, en strukturbiolog och medförfattare till studien. "Vi tillämpade ett antal olika procedurer som tidigare bara har beskrivits i teorin. Vi demonstrerade experimentellt, för första gången, att de kan användas för att dramatiskt förbättra kvaliteten på denna typ av bildbehandling. "

Utredarna använde flera tekniska framsteg för att skapa en tredimensionell representation av en variant av AAV2 (förkortning för adenoassocierat virus serotyp 2), med mycket bättre upplösning än vad som någonsin har uppnåtts tidigare. Studien, som rapporterades i Naturkommunikation den 7 september, 2018, främjar metodiska tillämpningar av cryo-EM samtidigt som det hjälper till att utveckla bättre genterapier, inklusive behandlingar för vissa ärftliga typer av blindhet, blödarsjuka och sjukdomar i nervsystemet.

Cryo-EM har tillåtit utredare att titta in i de inre funktionerna i små strukturer, och förändrar vår förståelse av biomolekyler och deras mekanismer. I det pågående arbetet, författarna visar att tekniken verkligen kan nå upplösningar nästan ner till nivån på den enda atomen. Det gör det också möjligt för forskare att härleda strukturer för hela proteinkomplex, snarare än bara portioner av proteiner.

I den nya studien, Salk -utredarna fokuserade på en version av ett AAV2 -virus som har en särskild förändring i en av dess aminosyror. Denna version är intressant eftersom den är mindre smittsam än vissa andra AAV, och studeras för dess viktiga implikationer i den virala livscykeln. Den nya forskningen gav en strukturell förklaring till varför den skiljer sig från andra virus, genom att avslöja viktiga förändringar i den virala portalen som används för att packa DNA.

Sådana studier kommer att informera genterapiapplikationer där en korrigerande gen för en sjukdom bärs in i ett virus, som levererar genen till en cell. Genterapi studeras för ett antal sjukdomar orsakade av enstaka mutationer, inklusive Leber medfödd amauros, Duchennes muskeldystrofi, sicklecellanemi, junctional epidermolysis bullosa och hemofili, bland andra.

"I sista hand, denna typ av forskning har viktiga konsekvenser för att förstå samspelet mellan dessa olika virus och de typer av celler de infekterar, " säger Sriram Aiyer, en forskningsassistent i Lyumkis lab och en av studiens första författare. "Detta är viktigt för att utveckla en större förståelse för det mänskliga immunsystemet och hur det känner igen virus."

Professor Mavis Agbandje-McKenna, chef för Center for Strukturell biologi vid University of Florida och tidningens medförfattare, lägger till, "Denna teknik kommer att bli särskilt viktig för att utveckla en bättre förståelse för hur dessa virus interagerar med det mänskliga immunsystemet, vilket är ett av de stora återstående hindren för användningen av dessa virus i genterapiapplikationer."

Storleken och formen på AAV2 gjorde den idealisk för den aktuella cryo-EM-analysen. "Eftersom detta virus har en hög symmetri, det gav oss mer valuta för pengarna, "Lyumkis säger." Vi kunde få 60-faldigt mer information, vilket gör att vi kan tillämpa nya beräkningstekniker för att skapa en bättre rekonstruktion av molekylen som kan utvidgas till många framtida högupplösta cryo-EM-experiment. "

Lyumkis säger att datagenereringsteknikerna som illustreras i den här studien visar att det är möjligt att extrapolera fynd med lägre spänningsmikroskop än vad som tidigare krävdes. I framtiden, detta gör det möjligt för forskare att använda nya versioner av cryo-EM-instrument som kostar mindre. "Cryo-EM-mikroskop är mycket dyra, och inte många institutioner har dem just nu. Dessa resultat hjälper till att öppna detta område för nästan alla akademiska institutioner som gör strukturbiologisk forskning, "konstaterar han.