Elektronmikroskopi giver et nyt syn på lille virus med terapeutisk potentiale

Billedmetoden kaldet kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) giver forskere mulighed for at visualisere former for biologiske molekyler med et hidtil uset detaljeringsniveau. Nu, et hold ledet af forskere fra Salk Institute og University of Florida rapporterer, hvordan de brugte cryo-EM til at vise strukturen af ​​en version af en virus kaldet en AAV2, at fremme teknikkens muligheder og virussens potentiale som leveringsmiddel for genterapier.

"Det er ikke en overdrivelse at sige, at dette er en af ​​de bedste cryo-EM-strukturer, der nogensinde er blevet opnået på dette felt, " siger Salk assisterende professor Dmitry Lyumkis, en strukturbiolog og co-senior forfatter af undersøgelsen. "Vi anvendte en række forskellige procedurer, som tidligere kun er blevet beskrevet i teorien. Vi demonstrerede eksperimentelt, for første gang, at de kan bruges til dramatisk at forbedre kvaliteten af ​​denne form for billeddannelse."

Efterforskerne brugte adskillige tekniske fremskridt til at skabe en tredimensionel repræsentation af en AAV2-variant (forkortelse for adeno-associeret virus serotype 2), med meget bedre opløsning end hvad der nogensinde er blevet opnået før. Studiet, som blev rapporteret i Naturkommunikation den 7. september, 2018, fremmer metodiske anvendelser af cryo-EM og hjælper samtidig med at udvikle bedre genterapier, herunder behandlinger af nogle arvelige typer af blindhed, hæmofili og sygdomme i nervesystemet.

Cryo-EM har givet efterforskere mulighed for at kigge ind i den indre funktion af små strukturer, og ændrer vores forståelse af biomolekyler og deres mekanismer. I det nuværende arbejde, forfatterne viser, at teknikken virkelig er i stand til at nå opløsninger næsten ned til niveauet for det enkelte atom. Det gør det også muligt for forskere at udlede strukturer for hele proteinkomplekser, frem for blot portioner af proteiner.

I den nye undersøgelse, Salk-forskerne fokuserede på en version af en AAV2-virus, der har en særlig ændring i en af ​​dens aminosyrer. Denne version er interessant, fordi den er mindre smitsom end nogle andre AAV'er, og bliver undersøgt for dets vigtige implikationer i den virale livscyklus. Den nye forskning gav en strukturel forklaring på, hvorfor den adskiller sig fra andre vira, ved at afsløre vigtige ændringer i den virale portal, der bruges til at pakke DNA.

Sådanne undersøgelser vil informere genterapiapplikationer, hvor et korrigerende gen for en sygdom bæres inde i en virus, som leverer genet til en celle. Genterapi bliver undersøgt for en række sygdomme forårsaget af enkeltmutationer, inklusive Leber medfødt amaurose, Duchenne muskeldystrofi, seglcelleanæmi, junctional epidermolysis bullosa og hæmofili, blandt andre.

"Ultimativt, denne form for forskning har vigtige implikationer for at forstå interaktionerne mellem disse forskellige vira og de typer celler, de inficerer, " siger Sriram Aiyer, en forskningsmedarbejder i Lyumkis' laboratorium og en af ​​undersøgelsens første forfattere. "Dette er vigtigt for at udvikle en større forståelse af det menneskelige immunsystem og hvordan det genkender vira."

Professor Mavis Agbandje-McKenna, direktør for Center for Strukturel Biologi ved University of Florida og avisens co-senior forfatter, tilføjer, "Denne teknik vil blive særlig vigtig for at udvikle en bedre forståelse af, hvordan disse vira interagerer med det menneskelige immunsystem, hvilket er en af ​​de største resterende forhindringer for udnyttelsen af ​​disse vira i genterapiapplikationer."

Størrelsen og formen af ​​AAV2 gjorde den ideel til den aktuelle cryo-EM-analyse. "Fordi denne virus har et højt niveau af symmetri, det gav os mere valuta for pengene, " siger Lyumkis. "Vi var i stand til at få 60 gange mere information, som giver os mulighed for at anvende nye beregningsteknikker for at skabe en bedre rekonstruktion af molekylet, der vil kunne udvides til mange fremtidige højopløselige cryo-EM-eksperimenter."

Lyumkis siger, at de datagenereringsteknikker, der er illustreret i denne undersøgelse, viser, at det er muligt at ekstrapolere resultater med mikroskoper med lavere spænding end tidligere krævet. I fremtiden, dette vil gøre det muligt for forskere at bruge nye versioner af cryo-EM-instrumenter, der koster mindre. "Cryo-EM mikroskoper er meget dyre, og ikke mange institutioner har dem lige nu. Disse resultater vil hjælpe med at åbne dette felt for næsten enhver akademisk institution, der udfører forskning i strukturel biologi, " konstaterer han.