Den här bilden visar den detaljerade strukturen av en "spike" från ett coronavirus som orsakar förkylningssymptom - en mildare släkting till viruset som orsakar COVID-19. Spikar binder till receptorer på cellerna hos deras offer för att starta infektioner. De består av tre proteinmolekyler, visas i blått, grönt och orange, besatt med sockermolekyler (gula) som spelar en viktig roll i virusets livscykel och i dess förmåga att undvika immunsystemet. Forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University gjorde bilden med en ny metod som visar spikar i deras naturliga tillstånd, ger snabbare och mer realistiska ögonblicksbilder av infektionsapparaten. Upphovsman:K. Zhang et al., Kvartalsrecensioner av Biophysics Discovery, 2020
Koronavirus som den som orsakar COVID-19 är fyllda med protein "spikar" som binder till receptorer på cellerna hos deras offer-det första steget i infektionen. Nu har forskare gjort de första detaljerade bilderna av dessa spikar i deras naturliga tillstånd, medan de fortfarande är fästa vid viruset och utan att använda kemiska fixeringsmedel som kan förvränga deras form.
De säger sin metod, som kombinerar kryogen elektronmikroskopi (kryo-EM) och beräkning, borde producera snabbare och mer realistiska ögonblicksbilder av infektionsapparaten i olika stammar av coronavirus, ett kritiskt steg i utformningen av terapeutiska läkemedel och vacciner.
"Fördelen med att göra det på detta sätt är att när du renar ett spikprotein och studerar det isolerat, du tappar viktiga biologiska sammanhang:Hur ser det ut i en intakt viruspartikel? Det kan möjligen ha en annan struktur där, "sa Wah Chiu, en professor vid DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University och senior författare till studien. De beskrev sina resultat i Kvartalsvisa recensioner Biophysics Discovery .
Sju stammar av coronavirus är kända för att infektera människor. Fyra orsakar relativt lindriga sjukdomar; de andra tre-inklusive SARS-CoV-2, viruset som orsakar covid-19 – kan vara dödligt, sa medförfattaren Jing Jin, en expert på virusets molekylära biologi vid Vitalant Research Institute i San Francisco. Forskare på Vitalant jagar efter virus i blod och avföringsprover från människor och djur, screena blodprov under utbrott som den pågående pandemin, och studera interaktioner mellan virus och deras värdar.
Denna roterande bild visar den detaljerade strukturen för en "spik" från ett coronavirus som orsakar förkylningssymtom - en mildare släkting till viruset som orsakar COVID -19. Spikar binder till receptorer på cellerna hos deras offer för att starta infektioner. De består av tre proteinmolekyler, visas i blått, grönt och orange, späckad med sockermolekyler (gula) som spelar en viktig roll i virusets livscykel och i dess förmåga att undvika immunförsvaret. Forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University gjorde bilden med en ny metod som visar spikar i deras naturliga tillstånd, ger snabbare och mer realistiska ögonblicksbilder av infektionsapparaten. Kredit:K. Zhang et al., Kvartalsvisa recensioner av Biophysics Discovery, 2020
Viruset som orsakar COVID-19 är så virulent att det bara finns några få cryo-EM-laboratorier i världen som kan studera det med en tillräckligt hög nivå av biosäkerhetskontroller, sa Jin. Så för denna studie, forskargruppen tittade på en mycket mildare coronavirusstam som heter NL63, som orsakar vanliga förkylningssymtom och är ansvarig för cirka 10 % av mänskliga luftvägssjukdomar varje år. Det är tänkt att fästa till samma receptorer på ytorna på mänskliga celler som COVID-19-viruset gör.
Istället för att kemiskt ta bort och rena NL63:s spikproteiner, forskarna flash-frös hela, intakta virus i ett glasartat tillstånd som bevarar det naturliga arrangemanget av deras komponenter. Then they made thousands of detailed images of randomly oriented viruses using cryo-EM instruments at the Stanford-SLAC Cryo-EM Facilities, digitally extracted the bits that contained spike proteins, and combined them to get high-resolution pictures.
"The structure we saw had exactly the same structure as it does on the virus surface, free of chemical artifacts, " Jin said. "This had not been done before."
The team also identified places where sugar molecules attach to the spike protein in a process called glycosylation, which plays an important role in the virus's life cycle and in its ability to evade the immune system. Their map included three glycosylation sites that had been predicted but never directly seen before.
Although a German group has used a similar method to digitally extract images of the spike protein from SARS-CoV-2, Jin said, they had to fix the virus in formaldehyde first so there would be no danger of it infecting anyone, and this treatment may cause chemical changes that interfere with seeing the true structure.
Going forward, she said, the team would like to find out how the part of the spike that binds to receptors on human cells is activated, and also use the same technique to study spike proteins from the virus that causes COVID-19, which would require specialized biohazard containment facilities.
