För första gången, forskare vet vad som händer med ett viruss form när det invaderar en värdcell, tack vare ett experiment av forskare vid Penn State College of Medicine och University of Pittsburgh School of Medicine. Att förstå hur virusets form förändras kan leda till effektivare antivirala terapier.
Experimentet utformades för att undersöka hur ett viruss proteinskal – dess kapsid – förändras när det förbereder sig för att injicera sitt genetiska material i en cell. Dessa förändrade viruspartiklar är kända som A-partiklar, eller virusinträde mellanprodukter.
I tidigare experiment, att exponera ett virus för extrem värme eller proteiner gjorde att formen på hela kapsiden förändrades. Dessa var de närmast observerbara simuleringarna till ett virus som invaderar en cell som hade utformats vid den tiden.
"Med dessa labbknep, mitt labb och andra forskare kunde skapa högupplösta strukturer av de förändrade viruspartiklarna, men alla dessa trick triggade kapsiden från alla håll, sa Susan Hafenstein, biträdande professor i medicin och mikrobiologi och immunologi, Penn State College of Medicine.
Hafenstein antog att i en mer realistisk simulering, endast den del av viruset som interagerade med receptorer på cellen skulle ändra form.
I det nya experimentet, Hafenstein och hennes medutredare simulerade ytan av en cell genom att använda skenmembran som kallas nanodiska. De infogade mänskliga cellreceptorer proteinmolekyler som släpper in externa signaler i cellen - in i nanodskivorna, första gången detta har gjorts för att fånga en viruskapsid. Resultaten rapporterades i en ny upplaga av tidskriften Vetenskapens framsteg .
"Denna speciella receptor har en lång svans som den begraver in i cellmembranet, " förklarade Hafenstein. "I vårt experiment, den grävde ner svansen i nanoskivan, ger oss ett skenmembran som visar den lämpliga receptorn för att binda till viruset."
Forskarna lade sedan till viruskapsider till receptormembranen och observerade de resulterande förändringarna i kapsiden med hjälp av en avbildningsteknik som kallas kryoelektronmikroskopi.
När de tusentals 2D-bilder de tog återmonterades till en 3D-kapsid - en process som ungefär liknar en CAT-skanning - fann de att tidigare observerade formförändringar endast inträffade där receptorerna band till viruset.
"Vårt arbete visar att en por endast öppnas vid den punkten av interaktion med värdcellen, ", sa Hafenstein. "Och det är vad som kommer att sätta upp kapsiden för att frigöra det genetiska materialet i cellen. Vi tror att vi har fångat den första fysiologiskt korrekta viruskapsiden som är beredd att komma in i värden. Alla de som vi hade studerat tidigare visade förändringar som ägde rum över hela kapsiden."
En nyligen genomförd framsteg till kryoelektronmikroskopi - direkt elektrondetektering - gjorde observationen möjlig.
"Det här sättet att ta bilder har gjort det möjligt för oss att ta riktigt snabba bilder som sedan kan korrigeras till perfekt data, ", sa Hafenstein. "Nu kan vi få atomupplösning med hjälp av cryoEM."
Forskarna använde ett virus som heter coxsackievirus B3 (CVB3) i sitt experiment. CVB3 är en typ av picornavirus, en familj av snabbt muterande små RNA-virus som orsakar sjukdomar som sträcker sig från förkylning till pankreatit till polio.
RNA-virus – en grupp som även inkluderar HIV – förändras varje gång de replikerar. Dessa mycket muterande virus kan undkomma antivirala mediciner.
Det slutliga målet är att förstå krångligheterna i stegen i virusets livscykel, till exempel hur viruset kommer in i värdcellen, och att rikta antivirala medel till dessa specifika steg, sa Hafenstein. "Sedan, om viruset muterar bort för att fly läkemedlet, det kommer också att förlora förmågan att komma in i cellen."
Nästa, Hafensteins grupp planerar att använda en större nanoskiva för att fånga processen för viruset som interagerar med skenmembranet.
"Eftersom nanoskivorna i denna uppsättning experiment var så små, vi får inte den bästa bilden av interaktionen, och det är ett ställe att förbättra, " sa hon. Detta, hon hoppas, kommer att avslöja "det viktigaste steget - att ta reda på vad som utlöser frisättningen av RNA i cellen."
