Molekulare Maschinen: Die Coronavirus SARS-CoV-2 Bedrohung, Teil I.

Was Freunde mit und für uns tun, ist auch ein Erlebtes; denn es stärkt und fördert unsere Persönlichkeit. Was Feinde gegen uns unternehmen, erleben wir nicht, wir erfahren’s nur, lehnen’s ab und schützen uns dagegen wie gegen Frost, Sturm, Regen und Schloßenwetter oder sonst äußere Übel, die zu erwarten sind.

Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832), Maximen und Reflexionen. Aphorismen und Aufzeichnungen.

Ein Virus ist Leben in der einfachsten Form. Es ist die minimalistische Reduktion eines Organismus auf seine wesentlichen Funktionselemente. Noch pragmatischer ist ein Virus ein Behälter mit genetischem Code mit einem effizienten molekularen Mechanismus, der es ihm ermöglicht, in eine Wirtszelle eines Organismus einzudringen, der sich selbstständig reproduzieren kann. Als molekulare Maschine kann ein Virus der Form und der zerstörerischen Kraft des Todessterns in der Star-Wars-Saga ähneln. Daher ist es eine Art molekulare Maschine, die wir absolut nicht in uns haben wollen!

Wie der große Goethe sagt, ist der Feind Teil unserer Erfahrung und wir müssen ihn jagen und uns tatsächlich vor anderen möglichen Feinden schützen. Dieser epische Naturkrieg veranlasste mich, diesen Blog zu starten, in dem ich mitteilen werde, was ich über diese gefährliche molekulare Maschine lerne.

Die Ausbreitung des Coronavirus SARS-CoV-2 (COVID-19) hat eine neue Pandemie oder eine Infektion hervorgerufen, die durch einen Erreger verursacht wird, der die gesamte Population einer lebenden Spezies betrifft, in diesem Fall die Menschliche. Diese globale Notsituation ist das Ergebnis eines natürlichen Wettbewerbs zwischen lebenden Arten, der uns daran erinnert, dass wir immer noch ein Teil des Gaia-Ökosystems sind. Obwohl es angesichts des Zustands, in dem wir unseren Planeten reduziert haben, immer schwer zu glauben ist, sind wir die intelligenteste Lebensform im bekannten Universum. Es wäre also ziemlich peinlich, von einem unsichtbaren Feind besiegt zu werden.

Coronavirus ist eine Gruppe von zoonotischen Viren, die Säugetiere und Vögel infizieren, die strategisch eine hohe Mutabilitätsrate entwickelt haben, um die Immunabwehr von Wirtsorganismen zu überleben. Sie gelangen über das Gewebe der Atemwege in den Wirt und werden daher leicht übertragen. Die hohe Mutabilität des genetischen Materials dieser Art von Virus, die Ähnlichkeit des Immunsystems des Wirtsspezies (wie Schweine, Mäuse, Fledermäuse, Kamele oder Vögel) und ihre engen Kontakte mit Menschen haben (in einigen Fällen) festgestellt, in einer Zeitspanne, die kürzer als die durchschnittliche Lebensdauer des Menschen ist, überspringt die sogenannte Interspezies . In diesem Fall ist das neue Virus zu einer gefährlichen neuen Bedrohung für die menschliche Spezies geworden. Ende November 2019 fand dieser Sprung zwischen einem noch nicht identifizierten kranken Tier und seinem Verkäufer und / oder Käufer auf dem Tier- und Meeresfrüchtemarkt in der Stadt Wuhan (China) statt. Offiziell war dies der Beginn der Ausbreitung einer neuen potenziell tödlichen menschlichen Coronavirus-Spezies. Es ist immer noch unklar, welche Tierarten das Virus auf den Menschen übertragen haben. Fledermäuse gehören zu den Kandidaten, aber neuere Studien legen auch Pangoline nahe.

Ein Virus, das eine andere Art beherbergt, kann für letztere sehr gefährlich sein. Tatsächlich hat bei Tieren, die ursprünglich Träger des Virus waren, die natürliche Selektion das Immunsystem angepasst, um mit der Invasion des Virus fertig zu werden. Ähnlich wie unser Immunsystem es schafft, der gemeinsamen Grippe entgegenzuwirken. Im Gegenteil, das Immunsystem der neuen Wirtsspezies bemerkt den Eindringling möglicherweise nicht, reagiert zu langsam oder erzeugt eine übermäßige Reaktion auf die Infektion des neuen Virus. Im letzteren Fall wird der Immunabwehrmechanismus selbst zur Ursache der Gefahr. Die letztere Situation scheint eine der Hauptursachen zu sein, die COVID-19 zu einer tödlichen Gefahr macht. Viele von uns, insbesondere diejenigen, die aufgrund altersbedingter Komplikationen oder mit einem beeinträchtigten Atmungssystem am anfälligsten sind, sind von der Gegenoffensive des Immunsystems überwältigt, die sie ertränkt, anstatt sie zu retten. Ein Großteil der Zahl der Todesopfer durch COVID-19 ist die traurige Folge dieses Effekts.

Um zu verstehen, was auf molekularer Ebene geschieht, muss ich zusammenfassen, was über die Struktur dieser komplexen nanoskopischen Kriegsmaschine und ihren Invasions- und Reproduktionsmechanismus bei ihren Gästen bekannt ist.

Der Lebenszyklus eines Virus umfasst mehr oder weniger die folgenden Phasen.

  1. Das Virus gelangt hauptsächlich über die Atemwege in unseren Körper. Aus diesem Grund ist es wichtig, sich mit geeigneten Masken und sorgfältiger Händehygiene vor Infektionen zu schützen. Sobald das Virus in die Bronchien gelangt ist, sucht es nach einem Weg, in die Zellen des Epithelgewebes einzudringen, dass die innere Oberfläche unserer Atemwege bedeckt. Insbesondere bindet das Virus an Membranproteine (Rezeptoren), die aus Epithelzellen herausragen und verschiedene Funktionen haben.
  2. Mit einem komplexen molekularen Mechanismus dringt das Virus in die Zelle ein und verschmilzt seine Lipidhülle mit der Zellmembran.
  3. Nukleinsäure (Einzelketten-RNA für COVID-19), die aus ihrer Proteinbeschichtung (dem aus nukleo-kapsidischen Proteinen bestehenden Kapsomer) freigesetzt wird, kann vom Expression Mechanismus der Wirtszelle gelesen werden.
  4. Normalerweise wird in dieser Phase nur der erste Teil der viralen RNA-Kette exprimiert, der die Proteinausrüstung enthält, die für genetische Funktionen wie die Replikation des viralen Chromosoms verantwortlich ist. Bei einigen Viren enthält dieses Utensil auch Proteine, die verwendet werden, um die Funktion der Wirtszelle zu deaktivieren und daher die für ihre Reproduktion verfügbaren Ressourcen zu maximieren.
  5. Das Virus produziert Hunderte von Kopien seines genetischen Materials. In diesem Stadium beginnt das Virus, das Strukturprotein für das Kapsomer und andere in die virale Lipidmembran eingebettete Proteine zu produzieren.
  6. Nukleokapsid-Proteine sammeln sich um die Virus-RNA und bilden das Kapsomer.
  7. Die drei Strukturproteine des Virus werden auf der äußeren Oberfläche der Wirtszellmembran freigelegt.
  8. Das Kapsomer wird schließlich durch Exocytose aus der Zelle freigesetzt, indem es mit einem Stück Zellmembran beschichtet wird, das mit viralen Proteinen besiedelt ist.

Im Anhang dieses Artikels habe ich eine Liste von Links für gute Animationen aufgeführt, die den gesamten Prozess visuell zusammenfassen.

Um die Details jeder Phase dieses komplexen molekularen Prozesses besser zu verstehen, müssen wir detailliert analysieren, was über die Struktur und Funktion eines Coronavirus bekannt ist.

Im Allgemeinen sind Viren Partikel mit einer Größe von 0,02 bis 0,25 Mikrometer (\mu m), obwohl Arten existieren, die größer als ein Bakterium sind. Diese winzigen Partikel bestehen hauptsächlich aus Nukleinsäuren, Proteinen und Kohlenhydraten. Coronaviren haben eine Größe von 0,1-0,12 \mu m, was bedeutet, dass sie zwischen 150-350-mal kleiner sind als die Endothelzellen unserer Lunge, die sich von 15-35 \mu m erstrecken können.

Abbildung 1: Vergleich der Größe eines Coronavirus mit der einer Zelle des Epithelgewebes der Bronchien.

Im Allgemeinen werden Viren nach der Art des genetischen Materials klassifiziert, dass sie als Spezies tragen, die DNA oder RNA enthalten. Der Unterschied bestimmt auch die Art des Mechanismus, den sie verwenden, um sich einmal in der Wirtszelle zu reproduzieren. Viren mit RNA oder DNA können ihr genetisches Material in das von Wirtsspezies integrieren. Einige Forscher spekulieren sogar, dass dieser Mechanismus für die Entwicklung des ursprünglichen Prokaryotikums in der komplexeren eukaryotischen Zelle verantwortlich war. Beispiele für diese Viren sind HIV oder Herpes. Viren wie COVID-19 oder Grippe übersetzen ihre RNA nicht in DNA, sondern nutzen direkt den Zellapparat der Wirtszelle zur Reproduktion. Dies macht sie viel virulenter, aber im Gegensatz zu den ersteren weniger komplex in ihrer Tarnung.

Das Coronavirus-Genom hat eine Größe zwischen ~ 26000 und ~ 32000 Nukleotidbasen und codiert eine variable Anzahl (sechs bis elf) von Proteinen. Das Coronavirus COVID-19 enthält etwa 30.000 Basen, der erste Teil repräsentiert mehr als 67 % des gesamten Genoms und codiert 16 Proteine, die für seine Reproduktion notwendig sind, während der Rest für die akzessorischen und strukturellen. In Abbildung 2 ist eine schematische Beschreibung des COVID-19-Genoms angegeben. Die Struktur mehrerer Proteine wurde noch nicht bestimmt und ihre Funktion ist noch unklar.

Abbildung 2: Schematische Beschreibung des COVID-19-Chromosoms.

Wir beginnen mit der Analyse der Struktur des Virus ausgehend von der äußeren Hülle. Dies sind die Lipide, die die Zellmembran des Wirtsorganismus bilden. In die Membran sind die drei Hauptstrukturproteine eingefügt: Protein S, ein Glykoprotein, das aus der Oberfläche der Membran herausragt und für die Bindung an den Zellrezeptor der Wirtszelle, Protein E (für “Hülle”) und das Protein der Matrix verantwortlich ist (M) die dazu dienen, das Kapsid zu stabilisieren, das die RNA-Kette umschließt. Lassen Sie uns genauer sehen, was über die Natur und Funktion dieser Proteine bekannt ist.

Das Protein S (S steht für die “Surface”) oder Spike ist ein Glykoprotein, das die wesentliche Rolle der Bindung an die Rezeptoren auf der Wirtszelle spielt, indem es die Fusion der Virusmembran mit der des Wirts induziert. Der Prozess löst die Invasion der Wirtszelle aus. Aufgrund seiner Bedeutung ist dieses Protein eines der Hauptziele für Medikamente, die gegen das Virus entwickelt werden. Die Struktur des Proteins S in der trimeren Form und im Zustand vor der Fusion wurde kürzlich durch kryoelektronische Mikroskopie bestimmt. Aus einer Reihe gesammelter Bilder konnte die dreidimensionale Struktur des Proteins auf atomarer Ebene rekonstruiert werden. Molekulare Modelle des Proteins sind in der Proteindatenbank (PDB) mit den PDB-Codes 6vsb, 6vxx, 6vyb öffentlich verfügbar.

Abbildung 3: Schematische Darstellung der Struktur von COVID-19 (nur Protein S ist dargestellt).

In der Abbildung 3 ist die Struktur des Proteins S dargestellt, indem zur Angabe der Position der Atome Kugeln mit einem Radius angegeben werden, der dem von van der Waals entspricht. Die Kugeln werden entsprechend der Ladung der Aminosäure gefärbt, wobei Rot für negative Aminosäuren, Blau für positive und Grün für neutrale Aminosäuren verwendet wird. Das Protein ist ~ 17 Nanometer (nm) lang, aber es fehlt der Teil des Stammes, der von drei Alpha-Helices gebildet wird, die die Membran durchdringen. Eine Schätzung der Gesamtproteinlänge zur Membranoberfläche beträgt ungefähr 20-22 nm. Die drei Helices kreuzen die innen hervorstehende Lipidmembran mit Segmenten, die wahrscheinlich an den Proteinen des Kapsidkerns verankert sind, die das lange RNA-Molekül im Virus verdichten. Der obere Teil des Proteins S erstreckt sich über etwa 12 \ mal 12 nm ^ 2 . Protein S ist ein Glykoprotein, dies bedeutet,dass ein Teil des Rückstands seiner äußeren Oberfläche an Glykane gebunden ist. Dies sind Polysaccharide, die aus verschiedenen Arten von Monosaccharideinheiten bestehen, die lineare oder verzweigte Ketten bilden.

Glykane spielen eine grundlegende Funktion im Mechanismus der molekularen Erkennung von Rezeptoren auf der Oberfläche von Zellen in unserem Körper. Diese Funktion wird von Viren genutzt, um unser Immunsystem zu tarnen und zu umgehen. Glücklicherweise sind die Glykane, die die Proteine ​​auf der Außenmembran dieser Viren bedecken, im Allgemeinen weniger komplex als diejenigen, die im Wirtsorganismus vorhanden sind. Auf diese Weise lernt unser Immunsystem, wenn auch langsamer, den Zuckerdachwald auf den Viren zu “unterscheiden” und sie zu neutralisieren. Ein kürzlich in der amerikanischen Fachzeitschrift Science [5] veröffentlichter Artikel berichtet über eine detaillierte Kartierung von Glykanen auf der Oberfläche des Spike-Proteins. Dies ist ein sehr wichtiges Ergebnis, da es eine effektivere Impfstoffentwicklung ermöglicht. In der aufgelösten Struktur von Protein S sind 66 N-Glykosylierungsstellen (22 pro Kette) angegeben. In der Struktur sind die Aminosäuren an einzelne N-Acetyl-Glucosamin-Moleküle gebunden (NAG, siehe Strukturformel in Abbildung 4), aber der Artikel in Science hat eine detaillierte Karte der Stellen gezeigt, die mit Zuckerketten unterschiedlicher Komplexität und Zusammensetzung glykosyliert sind .

Abbildung 4: N-Acetyl-Glucosamin-Strukturformel (Quelle: https://www.rcsb.org/structure/6VXX).

Die NAG-Einheiten scheinen ziemlich gleichmäßig über das S-Protein-Trimer verteilt zu sein (siehe Abbildung 5).

Abbildung 5: Ansicht der lösungsmittelzugänglichen Oberfläche des S-Proteins (PDB: 6vyb). Die NGA-Einheit ist orange dargestellt. Die Rezeptorbindungsdomänen sind in Rot, blau bzw. grau dargestellt.

Oben auf dem Peak befinden sich drei Regionen, die als Rezeptorbindungsdomänen identifiziert werden (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6: Ansicht von der Oberseite der Oberfläche des Proteins S (PDB: 6vxx). Die Rezeptorbindungsregionen sind blau, rot bzw. grau gefärbt.

Die Domänen durchlaufen eine Öffnungs- und Schließbewegung um ein Scharnier. Diese Bewegung wurde durch den Unterschied zwischen der 6vxx-Struktur mit den geschlossenen Regionen (in Abbildung 6) und der 6vybStuktur mit den offenen Regionen (Abbildung 7) hervorgehoben. In der in 7 dargestellten Struktur ist die Bindungsregion in offener Konformation rot gefärbt, dieselbe Region ist auch in der Orientierung des Proteins in Abbildung 5 klar erkennbar.

Abbildung 7a: Ansicht von der Oberseite der Oberfläche des Proteins S in einer offenen Konformation (PDB: 6vyb). Die Rezeptorbindungsregionen sind blau, rot bzw. grau gefärbt.
Abbildung 7b: S-Protein-Struktur (PDB: 6vsb) in der in 3D gedruckten Volumendarstellung (Wanhao i3 plus). Der rote Kreis zeigt die Position einer der Bindungsdomänen mit dem Rezeptor an.

Diese Regionen sind an der Bindung an einen Rezeptor beteiligt, der auf den Wirtszellmembranen vorhanden ist. Im Fall von COVID-19 wurde der Rezeptor als das Enzym identifiziert, das Angiotensin 2 (ACE2 genannt) umwandelt. Dies ist ein Enzym, das an die äußere Oberfläche (Zellmembranen) von Lungenzellen (aber auch die der Arterien, des Herzens, der Nieren und des Darms) gebunden ist. ACE2 senkt den Blutdruck durch Katalyse der Hydrolyse von Angiotensin II (einem Vasokonstriktorpeptid) zu Angiotensin (einem Vasodilatator).

Danksagungen

Alle Abbildungen der Proteinstrukturen in diesem Artikel wurden mit der Public-Domain-Software Visual Molecular Dynamics (VMD) erstellt, die an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign entwickelt wurde [6].

BIBLIOGRAPHISCHE REFERENZEN

  1. Wrapp, D., Wang, N., Corbett, K.S., Goldsmith, J.A., Hsieh, C.L., Abiona, O., Graham, B.S. and McLellan, J.S., 2020. Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science367(6483), pp.1260-1263.
  2. Levine, A.J., 1991. Viruses: A Scientific American Library Book. Henry Holt and Company.
  3. Wu, A., Peng, Y., Huang, B., Ding, X., Wang, X., Niu, P., Meng, J., Zhu, Z., Zhang, Z., Wang, J. and Sheng, J., 2020. Genome composition and divergence of the novel coronavirus (2019-nCoV) originating in China. Cell host & microbe.
  4. Yan, R., Zhang, Y., Li, Y., Xia, L., Guo, Y. and Zhou, Q., 2020. Structural basis for the recognition of the SARS-CoV-2 by full-length human ACE2. Science.
  5. Watanabe, Y., Allen, J.D., Wrapp, D., McLellan, J.S. and Crispin, M., 2020. Site-specific glycan analysis of the SARS-CoV-2 spike. Science.
  6. Humphrey, William; Dalke, Andrew; Schulten, Klaus (February 1996). “VMD: Visual molecular dynamics”. Journal of Molecular Graphics. 14 (1): 33–38

Liste anderer Informationsquellen

Nucleus Medical Media: https://www.youtube.com/watch?v=5DGwOJXSxqg

RCSBProteinDataBank: https://www.youtube.com/watch?v=s2EVlqql_f8

Scientific Animations: https://www.youtube.com/watch?v=I-Yd-_XIWJg&t=143s

Biolution: https://www.youtube.com/watch?v=I0TmBsHaGmI

About Danilo Roccatano

I have a Doctorate in chemistry at the University of Roma “La Sapienza”. I led educational and research activities at different universities in Italy, The Netherlands, Germany and now in the UK. I am fascinated by the study of nature with theoretical models and computational. For years, my scientific research is focused on the study of molecular systems of biological interest using the technique of Molecular Dynamics simulation. I have developed a server (the link is in one of my post) for statistical analysis at the amino acid level of the effect of random mutations induced by random mutagenesis methods. I am also very active in the didactic activity in physical chemistry, computational chemistry, and molecular modeling. I have several other interests and hobbies as video/photography, robotics, computer vision, electronics, programming, microscopy, entomology, recreational mathematics and computational linguistics.
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