Wissenschaftler enthüllen die „Replikationsmaschine“ des Ebola-Virus

Im September dieses Jahres kam es im afrikanischen Uganda erneut zu einem Ebola-Ausbruch. Dies bedeutet, dass das Damoklesschwert Ebola-Virus weiterhin über unseren Köpfen schwebt und die Gesundheit der Menschen ständig bedroht.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft wollte schon immer ein kostengünstiges, leicht zu vermarktendes Breitbandmedikament auf Basis niedermolekularer Substanzen gegen das Ebola-Virus entwickeln, es fehlte jedoch an theoretischer Anleitung. Die Entschlüsselung der dreidimensionalen Struktur der Ebolavirus-Polymerase ist eine globale Herausforderung.

Nun hat das Team um Akademiemitglied Gao Fu und Forscher Shi Yi vom Institut für Mikrobiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in einer gemeinsamen Studie erstmals die dreidimensionale Struktur des Polymerasekomplexes des Ebola-Virus entschlüsselt und damit eine wichtige theoretische Grundlage für das Verständnis des Replikationsmechanismus des Ebola-Virus auf molekularer Ebene gelegt. Sie analysierten außerdem den molekularen Mechanismus, durch den das jahrhundertealte Medikament Suramin die Aktivität der Ebola-Virus-Polymerase wirksam hemmen kann, und lieferten so neue Ziele und Richtungen für die Entwicklung von Medikamenten gegen das Ebola-Virus. Die entsprechende Forschungsarbeit wurde am 28. September in Nature veröffentlicht.

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Die Ebola-Virus-Krankheit ist eine schwere, akute Infektionskrankheit, die durch das Ebola-Virus verursacht wird und hauptsächlich zwischen Menschen oder Primaten übertragen wird. Seit seiner Entdeckung im Jahr 1976 in Zaire (heute Demokratische Republik Kongo) und im Sudan wütet das Ebola-Virus seit fast 50 Jahren in Afrika. Es kam zu mehr als 30 Ausbrüchen, die Zehntausende von Todesopfern forderten und eine Sterberate von bis zu 90 Prozent verursachten.

Derzeit sind zwei Zaire-Ebolavirus-Antikörpermedikamente auf dem Markt. „Antikörpermedikamente sind spezifisch und können nicht zur Behandlung anderer Arten von Ebolaviren und filamentösen Viren wie dem Marburg-Virus eingesetzt werden. Sie neigen außerdem dazu, dem Immunsystem zu entkommen, was dazu führen kann, dass die Antikörpermedikamente weniger wirksam oder sogar unwirksam werden“, sagte Shi Yi, der korrespondierende Autor des Artikels, gegenüber China Science Daily.

Darüber hinaus sagte er, dass die Herstellungskosten von Antikörpermedikamenten relativ hoch seien und dass sie bei niedrigen Temperaturen gelagert werden müssten, was ihrer Verbreitung und Verwendung in Afrika nicht förderlich sei. Die Entwicklung wirksamer und sicherer Breitband-Antivirenmedikamente auf Basis niedermolekularer Substanzen ist eine wichtige Forschungsrichtung zur Bekämpfung verschiedener Typen des Ebolavirus und anderer Filovirusinfektionen.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Transkription und Replikation des Ebola-Virus-Genoms durch einen Komplex aus dem viralen Polymerase-L-Protein und anderen Hilfsproteinen abgeschlossen wird. Der Polymerasekomplex ist ein ideales Ziel für die Entwicklung von Breitband-Antiviralmedikamenten.

Frühere Studien haben außerdem ergeben, dass die beiden Medikamente Remdesivir und Favipiravir zwar eine gute antivirale Wirkung in vitro aufweisen, ihre klinische Wirkung jedoch nicht optimal ist. Derzeit sind keine niedermolekularen Arzneimittel für die klinische Behandlung einer Ebola-Virusinfektion zugelassen.

Wie lässt sich also die Struktur bestehender zielgerichteter Polymerase-Medikamente optimieren? Können neue Medikamente zur Behandlung der Ebola-Virus-Erkrankung entwickelt werden, indem man konservierte Stellen auf der Polymerase angreift? Um diese Fragen beantworten zu können, müssen die Forscher verstehen, wie sich das Ebola-Virus repliziert.

Das Ebolavirus gehört zur Familie der Filoviridae. Im letzten Jahrzehnt haben Wissenschaftler einige Erkenntnisse über die komplexe Struktur dieses Virus gewonnen. So ist beispielsweise das Ribonukleinsäure-Genom (RNA) von Nukleoprotein (NP) umhüllt und bildet einen Ribonukleoproteinkomplex (RNP), der wiederum mit dem Polymeraseprotein (L), dem viralen akzessorischen Protein (VP35), dem Transkriptionsaktivatorprotein (VP30) und dem Nukleokapsid-assoziierten Protein (VP24) zu einer helikalen Nukleokapsidstruktur kombiniert wird, die von einem Matrixprotein (VP40) umgeben ist und sich weiter mit dem viralen Oberflächen-Spike-Glykoprotein (GP) zu einem vollständigen Viruspartikel verbindet.

Die Entschlüsselung der dreidimensionalen Struktur der Ebolavirus-Polymerase ist eine Herausforderung, vor der Virologen auf der ganzen Welt stehen. Nach Jahren des Herumprobierens gelang es dem Team von Shi Yi und Gao Fu, das Polymerasekomplexprotein des Ebolavirus (L-VP35-Komplex) zu gewinnen und mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie seine hochauflösende dreidimensionale Struktur zu analysieren. Sie fanden heraus, dass das Polymerase-L-Protein des Ebola-Virus einen stabilen Komplex mit dem VP35-Proteintetramer bildet, um die Replikation und Transkription des viralen Genoms durchzuführen.

Den Mechanismus des „Gemeinsamen Tanzens“ aufdecken

Durch eingehende Beobachtung erlangte das Forschungsteam ein mikroskopisches Verständnis der dynamischen Konformationsänderungen des Polymerasekomplexes.

Als Kern der „Replikationsmaschinerie“ des Virus ist die Polymerase an zahlreichen Konformationsänderungen im Prozess der Erzeugung von Nachkommen-RNA beteiligt und fördert so die reibungslose Synthese des Produkts. Die wichtigste Konformationsänderung ist der Übergang vom Ausgangszustand in den gestreckten Zustand.

Basierend auf früheren Untersuchungen erfassten die Forscher die Feinstruktur der Ebola-Virus-Polymerase in einem ausgedehnten Zustand, indem sie die Probenvorbereitungsbedingungen des Kryo-Elektronenmikroskops veränderten.

Wie „tanzt“ das VP35-Protein mit dem L-Protein? Studien haben ergeben, dass das VP35-Protein während des Virusreplikationsprozesses wie eine „Brücke“ fungiert, um das L-Protein und das RNP zu verbinden. „Wenn das L-Protein das virale Genom repliziert, verwendet es das spiralförmige RNP als Vorlage anstelle der nackten RNA. Zu diesem Zeitpunkt erfüllt das VP35-Protein hauptsächlich die Funktion eines molekularen Chaperons und vermittelt die Replikation des L-Proteins in Form von RNP-Einheiten“, sagte Shi Yi.

Er erklärte, dass das VP35-Proteintetramer zusätzlich zur Oligomerisierungsdomäne in der Mitte vier N-terminale (Amino-terminale) Domänen und vier C-terminale (Carboxyl-terminale) Domänen an beiden Enden besitzt.

Einer der C-Termini bindet an das L-Protein, wodurch die Bindung des L-Proteins an das VP35-Proteintetramer weiter stabilisiert wird. Gleichzeitig wirken die anderen sieben Enden wie „Tentakeln eines Oktopus“, um dem L-Protein dabei zu helfen, auf der RNP-Struktur zu gleiten und an das RNP im monomeren Zustand zu binden. Dadurch wird verhindert, dass es unspezifisch mit der Wirts-RNA interagiert und sichergestellt, dass das monomere NP für die Erzeugung von Tochter-RNPs verwendet werden kann.

„Ohne das VP35-Protein kann das L-Protein keine Genomreplikation und Transkription durchführen.“ Shi Yi sagte, dass sich das Virus nicht replizieren könne, wenn die Kombination dieser beiden Faktoren blockiert werde.

Leitlinie für Arzneimitteldesign und -optimierung

Die Entwicklung niedermolekularer Medikamente, die das Ebola-Virus wirksam hemmen können, ist seit jeher ein international heißes Thema, aber auch ein schwieriger Punkt.

Shi Yi sagte, dass das Verständnis der molekularen Details der Interaktionsschnittstelle des L-VP35-Komplexes neue Ziele und wichtige Leitlinien für die weitere Entwicklung von Medikamenten gegen Polymerasen liefert.

Bemerkenswert ist, dass die Forscher darauf hingewiesen haben, dass die N-terminale Domäne der Ebolavirus-Polymerase eine für filamentöse Viren einzigartige Insertionsdomäne aufweist, die für ihre Aktivität wesentlich ist und ein potenzielles Ziel für die Entwicklung antiviraler Medikamente werden kann.

Das Forschungsteam untersuchte außerdem den molekularen Mechanismus der Anti-Ebola-Virus-Aktivität des jahrhundertealten Medikaments Suramin in vitro.

Suramin wurde erstmals im frühen 20. Jahrhundert vom deutschen Chemiker Paul Ehrlich isoliert und wird seit den frühen 1920er Jahren häufig zur Behandlung parasitärer Erkrankungen wie der Afrikanischen Schlafkrankheit und der Onchozerkose eingesetzt. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler entdeckt, dass Suramin gegen COVID-19 und Krebs wirkt. Vorstudien haben gezeigt, dass Suramin auch gegen das Ebola-Virus wirkt, sein Wirkungsmechanismus ist jedoch nicht ganz klar.

Durch In-vitro-Experimente zur Enzymaktivität und zu Zellreplikonen fanden die Forscher heraus, dass Suramin die Aktivität der Ebolavirus-Polymerase wirksam hemmen kann. Darüber hinaus analysierten sie mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie die komplexe Struktur der Ebolavirus-Polymerase und des Suramins. Dabei stellten sie fest, dass Suramin seine hemmende Wirkung dadurch entfaltet, dass es an den Eintrittskanal des Triphosphat-Ribonukleotids der Polymerase bindet und so das Substrat daran hindert, in das Aktivitätszentrum des Enzyms einzudringen. Die molekularen Details der Interaktion zwischen Suramin und L-Protein liefern wichtige Referenzinformationen für die weitere Modifikation und Optimierung von Suramin-Medikamenten.

Ein Peer-Reviewer sagte, dass die Struktur des L-Proteins des Ebola-Virus eine anerkannte Lücke auf diesem Gebiet sei und dass diese Studie wichtige Informationen liefere, die dazu beitragen würden, die strukturbasierte Entwicklung antiviraler Medikamente voranzutreiben.

Zugehörige Papierinformationen

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05271-2

(Ursprünglich veröffentlicht in China Science Daily, 30.09.2022, Seite 1)