Mekaniske egenskaber af viralt DNA bestemmer infektionsforløbet

En ny undersøgelse afslører en hidtil ukendt mekanisme, der styrer, om vira, der inficerer bakterier, hurtigt vil dræbe deres værter eller forblive latente inde i cellen. Opdagelsen, rapporteret i tidsskriftet eLife, kan også gælde vira, der inficerer mennesker og andre dyr, sagde forskeren.

"Jeg fandt for første gang ud af, at mekanikken i, hvordan DNA er pakket inde i en virus, bestemmer infektionsforløbet, " sagde University of Illinois patobiologi professor Alex Evilevitch, der har udført undersøgelsen.

Efter at have injiceret deres DNA i en celle, vira har en tendens til at følge en af ​​to hovedveje, kaldet "lytiske" eller "latente" infektioner. I den lytiske vej, viralt DNA kommanderer hurtigt værtscellens egne ressourcer til at lave hundredvis af kopier af sig selv. De nye vira dræber derefter cellen og fortsætter med at gentage cyklussen i andre celler.

Latente virusinfektioner følger et andet forløb, dog:En gang inde i cellen, det virale DNA inkorporerer sig selv i værtsgenomet. Når cellen deler sig, det virale DNA bliver også duplikeret. Så længe infektionen forbliver latent, der er få beviser for det i værten.

Problemet med latente virusinfektioner er, at i tider med stress for værten, virussen kan pludselig blive lytisk, at overtage cellen og dræbe den efter en gal omgang reproduktion, sagde Evilevitch.

"De mange virusinfektioner, som vi bærer på, kan forblive latente i meget lang tid. Nogle gange går de lytiske, og det er når vi udvikler symptomer, " han sagde.

Latente virusinfektioner hos mennesker omfatter herpes simplex, varicella zoster, Epstein-Barr, humant cytomegalovirus, adenovirus, Kaposis sarkom og flere andre.

"Det er meget vigtigt at vide, hvad der regulerer skiftet fra latent tilstand til lytisk tilstand, så vi måske kan stoppe disse infektioner i at sprede sig, " sagde Evilevitch.

Mange undersøgelser af viral infektions dynamik har fokuseret på de strukturelle karakteristika af proteinkapsiderne, der beskytter det virale genetiske materiale og transporterer det til infektionsstedet. Evilevitch så i stedet på belastningerne og belastningerne på de virale DNA-molekyler, lige før de injiceres i en vært.

Han brugte isotermisk titreringskalorimetri, som kan måle diskrete ændringer i termisk energi i et system, at spore infektionsforløbet. I en tidligere undersøgelse, hans laboratoriegruppe opdagede, at virusinfektionsprocessen afgiver varme. I den nye undersøgelse, Evilevitch afslørede værtsbakterien, Escherichia coli, til tusindvis af virale partikler, overvågede derefter de termiske op- og nedture, der opstod, efterhånden som infektionen skred frem.

Han fandt ud af, at infektionerne opstod enten synkront - med hundredvis af vira, der injicerer deres DNA i bakterien på én gang - eller tilfældigt, med infektioner, der forekommer langsommere på en ukoordineret måde. Et nærmere kig på det virale genetiske materiale før infektion afslørede, at DNA'et pakket inde i virussen havde en tendens til at være mere "væskelignende" i de synkrone infektioner, men stivere under de tilfældige infektioner.

De synkrone infektioner svarede tæt til latente infektioner, der bevarede værten, mens jo langsommere, mere tilfældig infektionsproces førte til lytiske hændelser, der dræbte værten.

Efterhånden som temperaturen steg, det virale DNA blev mere som væske, og infektioner var mere tilbøjelige til at være synkrone. Forøgelser i ekstracellulære magnesiumionkoncentrationer relateret til cellulær metabolisme og vækstbetingelser fremmede også synkrone infektioner, Evilevitch fundet.

Varme gjorde DNA-molekylerne inde i kapsiden mere fleksible, reducere glidefriktionen mellem dem, han sagde. Tilføjelse af positivt ladede ioner reducerede frastødningen mellem de negativt ladede DNA-molekyler, gør også DNA'et mere flydende.

"DNA'et bliver mere fleksibelt; det har mere flydende karakter, " sagde han. "Som et resultat, det er mere tilbøjeligt til at blive kastet ud – som tandpasta ud af en tube. Men hvis det er solidt, det kommer til at sidde fast inde i røret."

De nye resultater er "gode for virologi, " sagde Evilevitch.

"Vi forstår nu, at mekanikken i DNA pakket inde i virussen direkte påvirker infektionsretningen mod en lytisk eller latent vej, " sagde han. "Vi tror, ​​at dette vil hjælpe os med at lære at kontrollere infektioner og forhindre dem i at blive lytiske. Det kan potentielt føre til nye terapier for at forhindre spredning af infektion."