Virale RNA löst kritische Schritte im Lebenszyklus des Lassavirus aus

Forschende untersuchen Virusmoleküle mit nativer Massenspektrometrie

Um neue antivirale Medikamente gegen das Lassavirus entwickeln zu können, ist ein Verständnis viraler Prozesse in menschlichen Wirtszellen zentral. Wissenschaftler:innen von verschiedenen Institutionen, darunter das Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin (BNITM) und das Centre for Structural Systems Biology (CSSB), untersuchten Wechselwirkungen von viralen Molekülen mit nativer Massenspektrometrie. Ein bedeutendes Ergebnis: RNA löst die Aufspaltung eines festen Verbunds dreier Proteinmoleküle in einzelne Proteinmoleküle aus. Dieser Prozess ist eine Voraussetzung dafür, dass die virale Erbinformation geschützt und vermehrt werden kann. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.

Grafik der ringförmigen Trimerstruktur des Nukleoproteins, dargestellt im Komplex mit dem Z-Protein. Daneben eine Grafik eines nativen Massenspektrums mit den Molekülen Z-Protein, NP-Trimer und NP-Trimer im Komplex mit dem Z-Protein

©BNITM | Lennart Sänger

^{Links: Strukturvorhersage der ringförmigen Trimerstruktur des Nukleoproteins (gelb), dargestellt im Komplex mit dem Z-Protein (türkis). RNA löst die Aufspaltung des Trimers aus. Rechts: Natives Massenspektrum der Moleküle Z-Protein, NP-Trimer und NP-Trimer im Komplex mit dem Z-Protein.}

Das Lassavirus (LASV) gehört zur Familie der Arenaviren und ist ein RNA-Virus, das heißt, es speichert seine Erbinformation im Gegensatz zu DNA-Viren in Form von RNA. Das Lassavirus kommt in westafrikanischen Ländern vor und kann das hämorrhagische Lassafieber auslösen. Jährlich infizieren sich zwischen 100.000 und 300.000 Menschen mit dem LASV, von denen ca. 5.000 Personen sterben. Um die Krankheit auszulösen, muss sich das Virus effizient in den Zellen der infizierten Person vermehren. Wesentliche Schritte im Lebenszyklus des Lassavirus sind der Eintritt in die menschliche Wirtszelle, die Vervielfältigung der Viren-RNA, das Verpacken der neuen Viren-RNA mit viruseigenen Proteinen und der Austritt aus der Wirtszelle.

Virale RNA triggert Trimerspaltung des Nukleoproteins

Die Forschenden um Dr. Maria Rosenthal, Gruppenleiterin der BMBF Nachwuchsgruppe Strukturelle Virologie, konzentrierten sich in dieser Arbeit auf das sogenannte Nukleoprotein (NP) des Lassavirus. Das Nukleoprotein umhüllt die virale Erbinformation und schützt so die virale RNA vor dem Abbau in der menschlichen Wirtszelle. Nukleoproteine liegen zunächst als stabile, ringförmige Trimere vor - dies sind feste Verbunde von drei Nukleoprotein-Molekülen. Aufgrund ihrer Ringstruktur können die Trimere keine RNA binden. Es war nicht bekannt, wie diese Trimerstruktur aufgebrochen wird.

„Wir konnten zeigen, dass die virale RNA selbst den Zerfall des Trimers in einzelne Proteinmonomere auslöst, welche dann an die neu produzierte virale RNA rekrutiert werden können“, so die Forschungsgruppenleiterin.

Das Forschungsteam nutzte für seine Versuche die Methode der nativen Massenspektrometrie am CSSB unter der Leitung von Prof. Dr. Charlotte Uetrecht. Diese Methode funktioniert wie eine extrem feine Waage, mit der die Forschenden kleinste Moleküle in ihrer natürlichen (= nativen) Form messen können. „Da die Proteine und auch die Proteinkomplexe ihre native Form behalten, können wir genau messen, wie viele RNA-Moleküle mit einem Protein verbunden sind oder ob Proteinmonome, Dimere oder Trimere vorliegen“, erläutert Lennart Sänger, Erstautor der Veröffentlichung.

Nukleoprotein als möglicher Angriffspunkt für künftige antivirale Medikamente

Damit komplette Viren aus der Wirtszelle austreten können, müssen die Nukleoproteine mit der nun an sie gebundenen und damit geschützten viralen RNA an die Zellmembran befördert werden. Dafür verantwortlich ist das virale Z-Protein. Eine Störung dieses Transportprozesses könnte eine mögliche Strategie für die Entwicklung eines antiviralen Medikaments darstellen. Die Interaktion von Nukleoprotein, RNA und Z-Protein war bisher nicht im Detail verstanden. Die Forschenden am BNITM und ihre Kooperationspartner:innen konnten nun zeigen, dass das Nukleoprotein und das Z-Protein direkt aneinander binden.

„Wichtig für diese Bindung ist eine bestimmte Stelle im Nukleoprotein. Zukünftig könnte diese Stelle als Angriffspunkte für antivirale Medikamente genutzt werden“, erklärt Sänger.

Das Foto zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme von etwa 30 Lassa-Viruspartikeln. — Elektronenmikroskopische Aufnahme von Lassaviren ©BNITM

pH-Wert wichtig für Viruseintritt in die Wirtszelle

RNA beeinflusste die Bindung zwischen dem Z- und dem Nukleoprotein nicht, jedoch konnten die Wissenschaftler:innen zeigen, dass die Bindung abhängig vom pH-Wert war: Je saurer das Milieu (= niedriger pH-Wert), desto weniger interagierten die Nukleo- und die Z-Proteine miteinander. Die Ergebnisse helfen beim Verständnis des Viruseintritts in die Wirtszelle. Nachdem das Lassavirus in die Wirtszelle eingedrungen ist, liegt es in dem sogenannten Zellkompartiment Endosom vor, welches ein saures Milieu aufweist. Die Forschenden konnten zeigen, dass der niedrige pH-Wert des Endosoms wichtig ist, damit sich die Nukleoproteine mit der viralen Erbinformation von der Virushülle bestehend aus Z-Proteinen lösen können.

Grafik zeigt kritische Schritte im Lebenszyklus des Lassavirus. — Modell kritischer Schritte im Lebenszyklus des Lassavirus. Links: RNA bricht die Trimerform des Nukleoproteins auf. Bindung von Z-Proteinen an die mit RNA beladenen NP-Moleküle und Transport an die Wirtszellmembran. Lassavirus tritt im späten Stadium der Infektion aus der Wirtszelle aus. Rechts: Befall von weiteren Wirtszellen mit Lassaviruspartikeln. Niedriger pH-Wert im Zellkompartiment Endosom bewirkt das Loslösen der mit RNA beladenen NP-Moleküle vom Z-Protein. Die Virushülle verschmilzt anschließend mit der endosomalen Membran, so dass die virale RNA ins Innere der Zelle gelangen kann. Die Darstellung des Viruspartikels ist stark vereinfacht. (RNP = Ribonukleotidprotein bestehend aus RNA, Nukleoprotein und viralen Polymerase) ©Lennart Sänger et al. | J Am Chem Soc. (Abb. leicht bearbeitet)

„Mithilfe einer strukturbiologischen Methode, der nativen Massenspektrometrie, konnten wir wichtige Schritte im Lebenszyklus des Lassavirus weiter aufklären. Ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen viraler Moleküle kann uns helfen, antivirale Medikamente zu entwickeln“, schließt die Strukturbiologin Rosenthal.