Bilder auf atomarer Ebene könnten das künftige Design antiviraler Medikamente gegen COVID-19 verbessern

Die bisher genaueste Untersuchung eines Schlüsselenzyms im Virus, das COVID-19 verursacht, könnte zu einer wirksameren Behandlung der Krankheit führen.

Nukleotidanaloga sind eine häufige Art von antiviralen Medikamenten, die das genetische Material nachahmen, das Viren zur Replikation verwenden, und sie im Wesentlichen dazu verleiten, fehlerhafte Bausteine ​​in neue Kopien des Virus einzubauen. Viele Nukleotidanaloga wirken nicht so gut wie erwartet gegen SARS-CoV-2, das Virus, das COVID-19 verursacht, da Coronaviren ein Enzym tragen, das genetische Fehler in seiner RNA erkennt und beseitigt – einen „Korrekturleser“ namens Exoribonuklease (ExoN).

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Yang Yang, einem Assistenzprofessor am Roy J. Carver Department of Biochemistry, Biophysics and Molecular Biology an der Iowa State University, nutzte Bilder, die mit einem kryogenen Elektronenmikroskop (Kryo-EM) erzeugt wurden, um das Zusammenspiel zwischen ExoN und RNA zu beobachten, die in antivirale Medikamente wie Remdesivir, Sofosbuvir und Bemnifosbuvir eingebaut sind.

Diese atomaren Schnappschüsse bieten viele Einblicke in die genaue Interaktion der funktionellen Gruppen und welche Modifikationen diese Behandlungen wirksamer machen könnten.“

Yang Yang, Assistenzprofessor am Roy J. Carver Department of Biochemistry, Biophysics and Molecular Biology, Iowa State University

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Yang sagte, dass die Kryo-EM-Bilder, die der Forschung zugrunde liegen – beschrieben in kürzlich in Nature Communications und den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Artikeln – eine Auflösung von 2,4 Angström erreichten, ein neuer Rekord für ExoN. Ein Angström entspricht einem Hundertmillionstel Zentimeter. Die meisten Atome sind 1 bis 3 Angström breit.

Die Studien, die auf früheren Forschungen in Yangs Labor aufbauten, stützten sich auf seine neuen Methoden zur Optimierung der Kryo-EM. Die leistungsstarke Bildgebungstechnologie erzeugt 3D-Darstellungen im atomaren Maßstab durch Schockgefrieren biologischer Proben, wodurch eine kristallfreie dünne Eisscheibe entsteht, die mit einem Elektronenstrahl analysiert wird. Wissenschaftler, die mit Kryo-EM arbeiten, verfeinern ständig ihre Arbeitsabläufe, um noch klarer heranzuzoomen.

„Was die Hardware betrifft, ist das Mikroskop, das wir vor ein paar Jahren verwendet haben, im Vergleich zu dem Mikroskop, das wir heute verwenden, im Grunde das Gleiche“, sagte er. „Wir haben diesen deutlichen Anstieg der Auflösung aufgrund einiger großer Änderungen gesehen, die wir bei der Vorbereitung von Kryo-EM-Proben vorgenommen haben.“

Die in der Forschung verwendeten Bilder stammten von einem der drei staatlich finanzierten Kryo-EM-Zentren, die über die leistungsstärksten Instrumente in den USA verfügen. Ein Großteil der Tests zur Perfektionierung der Protokolle sei jedoch auf die Zusammenarbeit mit der Kryo-EM-Einrichtung des Staates Iowa zurückzuführen, sagte Yang.

„Es erfordert viel Versuch und Irrtum“, sagte er.

Bei genauerem Hinsehen lassen sich Strategien erkennen

Der neue Detaillierungsgrad ermöglichte es Yangs Team zu kartieren, wie antivirale Nukleotidanaloga die Bindungsdynamik der RNA des Virus verändern, wodurch es wahrscheinlicher wird, dass es sich von seinem Replikationsenzym löst und das Korrekturlesende ExoN anzieht. Ein besseres Verständnis der molekularen Mechanismen sei entscheidend, um diesen gegenseitigen Kompromiss zu überwinden, sagte Yang.

„Es zeigt uns eine klare Richtung“, sagte er.

Eine mögliche Lösung bestehe darin, ein Nukleotidanalogon so zu modifizieren, dass die fehlerhafte RNA, die es erzeugt, von ExoN nicht erkannt werden kann, da die Form des modifizierten Nukleotids inkompatibel sei, sagte er. Eine andere Option würde darauf abzielen, die Bindung mit ExoN zu erhöhen und gleichzeitig das Korrekturleseenzym umzugestalten, um es in einer inaktiven Form zu fixieren, die nicht in der Lage ist, seine normale Funktion auszuführen.

Yang sagte, sein Labor untersuche auch andere Arten kommerziell erhältlicher Nukleotidanaloga-Behandlungen und suche nach Anzeichen einer ExoN-Resistenz. Die Suche nach einem vorhandenen Medikament, das einem Korrekturlesen besser standhält, ist wahrscheinlich ein schnellerer Weg zur Verbesserung des Arsenals an antiviralen Behandlungen für COVID-19.

„Wenn wir uns auf den Weg machen würden, eine völlig neue Generation von Nukleotidanaloga zu entwickeln, müssten wir noch viel testen“, sagte er.

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