Forskere får det mest realistiske billede endnu af en proteinstruktur med spikes af coronavirus

Coronaviruss som den, der forårsager COVID-19, er spækket med protein-"spidser", der binder sig med receptorer på cellerne hos deres ofre - det første trin i infektion. Nu har forskere lavet de første detaljerede billeder af disse pigge i deres naturlige tilstand, mens de stadig er knyttet til virussen og uden at bruge kemiske fikseringsmidler, der kan forvrænge deres form.

De siger deres metode, som kombinerer kryogen elektronmikroskopi (cryo-EM) og beregning, skulle producere hurtigere og mere realistiske øjebliksbilleder af infektionsapparatet i forskellige stammer af coronavirus, et kritisk skridt i udformningen af ​​terapeutiske lægemidler og vacciner.

"Fordelen ved at gøre det på denne måde er, at når du renser et spidsprotein og studerer det isoleret, du mister vigtig biologisk kontekst:Hvordan ser det ud i en intakt viruspartikel? Det kunne muligvis have en anden struktur der, " sagde Wah Chiu, en professor ved DOE's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University og seniorforfatter af undersøgelsen. De beskrev deres resultater i Kvartalsanmeldelser Biofysikopdagelse .

Syv stammer af coronavirus er kendt for at inficere mennesker. Fire forårsager relativt milde sygdomme; de andre tre – inklusive SARS-CoV-2, den virus, der forårsager COVID-19 – kan være dødelig, sagde medforfatter Jing Jin, en ekspert i viras molekylære biologi ved Vitalant Research Institute i San Francisco. Forskere hos Vitalant jager vira i blod- og afføringsprøver fra mennesker og dyr, screene blodprøver under udbrud som den nuværende pandemi, og studere interaktioner mellem vira og deres værter.

Virussen, der forårsager COVID-19, er så virulent, at der kun er nogle få cryo-EM-laboratorier i verden, der kan studere den med et tilstrækkeligt højt niveau af biosikkerhedskontrol, sagde Jin. Så for denne undersøgelse, forskerholdet så på en meget mildere coronavirus-stamme kaldet NL63, som forårsager almindelige forkølelsessymptomer og er ansvarlig for omkring 10 % af menneskelige luftvejssygdomme hvert år. Det menes at binde sig til de samme receptorer på overfladen af ​​menneskelige celler, som COVID-19-virussen gør.

I stedet for kemisk at fjerne og rense NL63's spikeproteiner, forskerne flash-frøs hele, intakte vira til en glasagtig tilstand, der bevarer deres komponenters naturlige arrangement. Så lavede de tusindvis af detaljerede billeder af tilfældigt orienterede vira ved hjælp af cryo-EM-instrumenter på Stanford-SLAC Cryo-EM-faciliteterne, digitalt udvundet de bits, der indeholdt spidsproteiner, og kombinerede dem for at få billeder i høj opløsning.

"Den struktur, vi så, havde nøjagtig den samme struktur, som den har på virusoverfladen, fri for kemiske artefakter, " sagde Jin. "Dette var ikke blevet gjort før."

The team also identified places where sugar molecules attach to the spike protein in a process called glycosylation, which plays an important role in the virus's life cycle and in its ability to evade the immune system. Their map included three glycosylation sites that had been predicted but never directly seen before.

Although a German group has used a similar method to digitally extract images of the spike protein from SARS-CoV-2, Jin said, they had to fix the virus in formaldehyde first so there would be no danger of it infecting anyone, and this treatment may cause chemical changes that interfere with seeing the true structure.

Fremadrettet, hun sagde, the team would like to find out how the part of the spike that binds to receptors on human cells is activated, and also use the same technique to study spike proteins from the virus that causes COVID-19, which would require specialized biohazard containment facilities.