MIT-Chemiker entdecken die Struktur eines Schlüsselproteins des Coronavirus.

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Das Protein, das als Ionenkanal fungiert, könnte ein Ziel für neue Medikamente gegen das SARS-CoV-2-Virus sein.

MIT-Chemiker haben die Molekularstruktur eines Proteins bestimmt, das im SARS-CoV-2-Virus gefunden wurde. Dieses Protein, das so genannte Hüllprotein E, bildet einen kationenselektiven Kanal und spielt eine Schlüsselrolle bei der Fähigkeit des Virus, sich zu replizieren und die Entzündungsreaktion der Wirtszelle zu stimulieren.

Wenn die Forscher Wege finden könnten, diesen Kanal zu blockieren, könnten sie möglicherweise die Pathogenität des Virus reduzieren und die virale Replikation stören, sagt Mei Hong, Professorin für Chemie am MIT. In dieser Studie untersuchten die Forscher die Bindungsstellen von zwei Medikamenten, die den Kanal blockieren, aber diese Medikamente binden nur schwach, so dass sie keine wirksamen Inhibitoren des E-Proteins darstellen würden.

“Unsere Ergebnisse könnten für medizinische Chemiker nützlich sein, um alternative kleine Moleküle zu entwerfen, die auf diesen Kanal mit hoher Affinität abzielen”, sagt Hong, der der leitende Autor der neuen Studie ist.

Der MIT-Absolvent Venkata Mandala ist der Hauptautor der Arbeit, die in Nature Structural and Molecular Biology erscheint. Weitere Autoren sind der MIT-Postdoc Matthew McKay, die MIT-Absolventen Alexander Schtscherbakow und Aurelio Dregni sowie Antonios Kolocouris, Professor für pharmazeutische Chemie an der Universität Athen.

Strukturelle Herausforderungen

Hongs Labor ist auf die Untersuchung der Strukturen von Proteinen spezialisiert, die in Zellmembranen eingebettet sind, deren Analyse aufgrund der Störung der Lipidmembran oft schwierig ist. Mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) hat sie zuvor mehrere Techniken entwickelt, die es ihr ermöglichen, genaue Strukturinformationen auf atomarer Ebene über diese in Membranen eingebetteten Proteine zu erhalten.

Als Anfang dieses Jahres der Ausbruch von SARS-CoV-2 begann, beschlossen Hong und ihre Studenten, ihre Bemühungen auf eines der neuartigen Coronavirus-Proteine zu konzentrieren. Sie beschränkte sich auf das E-Protein, unter anderem weil es einem Influenza-Protein namens M2-Protonenkanal ähnelt, das sie zuvor untersucht hatte. Beide viralen Proteine bestehen aus Bündeln von mehreren helikalen Proteinen.

“Wir haben die Influenza B M2-Struktur nach etwa 1,5 Jahren harter Arbeit bestimmt, was uns gelehrt hat, wie man ein Virusmembranprotein von Grund auf kloniert, exprimiert und reinigt und welche experimentellen NMR-Strategien man anwenden muss, um die Struktur eines homo-oligomeren helikalen Bündels zu lösen”, sagt Hong. “Diese Erfahrung erwies sich als perfekter Übungsplatz für die Untersuchung von SARS-CoV-2 E.”

Die Forscher waren in der Lage, das E-Protein in zweieinhalb Monaten zu klonen und zu reinigen. Um seine Struktur zu bestimmen, betteten die Forscher es in eine Lipiddoppelschicht ein, ähnlich einer Zellmembran, und analysierten es dann mit NMR, die die magnetischen Eigenschaften von Atomkernen nutzt, um die Strukturen der Moleküle, die diese Kerne enthalten, aufzudecken. Sie haben die NMR-Spektren zwei Monate lang nonstop mit dem Höchstfeld-NMR-Instrument am MIT, einem 900-Megahertz-Spektrometer, sowie mit 800- und 600-Megahertz-Spektrometern gemessen.

Hong und ihre Kollegen fanden heraus, dass der Teil des E-Proteins, der in die Lipiddoppelschicht eingebettet ist, die so genannte Transmembrandomäne, sich zu einem Bündel von fünf Helices zusammenfügt. Die Helices bleiben innerhalb dieses Bündels weitgehend unbeweglich, wodurch ein enger Kanal entsteht, der viel enger als der Influenza-M2-Kanal ist.

Interessanterweise sieht das SARS-CoV-2 E-Protein nicht wie die Ionenkanalproteine von Influenza- und HIV-1-Viren aus. Bei Grippeviren ist das äquivalente M2-Protein viel mobiler, während bei HIV-1 das äquivalente Vpu-Protein eine viel kürzere Transmembranhelix und eine breitere Pore aufweist. Wie diese ausgeprägten Strukturmerkmale von E seine Funktionen im Lebenszyklus des SARS-CoV-2-Virus beeinflussen, ist eines der Themen, die Hong und ihre Kollegen in Zukunft untersuchen werden.

Die Forscher identifizierten auch mehrere Aminosäuren an einem Ende des Kanals, die positiv geladene Ionen wie Kalzium in den Kanal ziehen könnten. Sie glauben, dass die Struktur, über die sie in dieser Arbeit berichten, der geschlossene Zustand des Kanals ist, und sie hoffen nun, die Struktur des offenen Zustands zu bestimmen, was Aufschluss darüber geben sollte, wie sich der Kanal öffnet und schließt.

Grundlagenforschung

Die Forscher fanden auch heraus, dass zwei Medikamente – Amantadin, das zur Behandlung von Grippe eingesetzt wird, und Hexamethylenamilorid, das zur Behandlung von Bluthochdruck verwendet wird – den Eingang des E-Kanals blockieren können. Diese Medikamente binden jedoch nur schwach an das E-Protein. Wenn stärkere Inhibitoren entwickelt werden könnten, könnten sie potenzielle Arzneimittelkandidaten zur Behandlung von Covid-19 sein, sagt Hong.

Die Studie zeige, dass die wissenschaftliche Grundlagenforschung wichtige Beiträge zur Lösung medizinischer Probleme leisten könne, fügt sie hinzu.

“Selbst wenn die Pandemie vorbei ist, ist es wichtig, dass unsere Gesellschaft erkennt und sich daran erinnert, dass die wissenschaftliche Grundlagenforschung zu Virusproteinen oder bakteriellen Proteinen energisch fortgesetzt werden muss, damit wir Pandemien vorbeugen können”, sagt Hong. “Die menschlichen Kosten und die wirtschaftlichen Kosten, dies nicht zu tun, sind einfach zu hoch”.

Referenz: “Struktur und Dr

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