Combinatorial mosaics dissect the residue level basis of ACE2 binding divergence between SARS-CoV-2 and RaTG13
Durch die Konstruktion einer kombinatorischen Bibliothek von RBD-Mosaiken zwischen SARS-CoV-2 und RaTG13 identifiziert diese Studie acht Schlüsselpositionen, welche die Divergenz der ACE2-Bindung vorantreiben, und zeigt auf, dass die SARS-CoV-2-Reste Q493 und Q498, welche einzeln die Bindungsaffinität reduzieren, durch spezifische Reste an den Positionen 483, 484 und 494 durch Sequenzkontextabhängigkeit funktionell kompensiert werden.
Originalarbeit unter CC0 1.0 der Gemeinfreiheit gewidmet (https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Viren sind Meister der Anpassung; sie formen ihre äußeren Hüllen ständig um, um an unserem Immunsystem vorbeizuschlüpfen oder sich an neue Wirte anzuheften. Das Herzstück dieser Fähigkeit ist eine spezifische Interaktion: Ein Protein auf der Oberfläche des Virus muss perfekt in einen Rezeptor einer menschlichen Zelle passen, ganz so wie ein Schlüssel, der das richtige Schloss findet. Für das Virus, das COVID-1s verursacht, ist dieser Schlüssel ein Teil seines Spike-Proteins, die sogenannte Rezeptor-Bindungsdomäne, und das Schloss ist ein menschliches Protein namens ACE2. Die Fähigkeit des Virus, an diesen Rezeptor zu binden, bestimmt, wie leicht es uns infizieren kann. Wissenschaftler wissen schon lange, dass das für die Pandemie verantwortliche Virus, SARS-CoV-2, mit bemerkenswerter Stärke an menschliche Zellen bindet. Ein eng verwandtes Virus, das in Fledermäusen gefunden wurde und als RaTG13 bekannt ist, bindet jedoch sehr schwach an denselben menschlichen Rezeptor. Die beiden Viren sind in ihrem genetischen Code fast identisch, doch sie unterscheiden sich erheblich in der spezifischen Region, die für diese Bindung verantwortlich ist. Genau zu verstehen, welche winzigen Veränderungen in ihrem genetischen Code eine solch dramatische Differenz im Verhalten verursachen, ist entscheidend, um vorherzusagen, wie sich Viren in der Zukunft entwickeln könnten.
Um dieses Rätsel zu lösen, beschlossen die Forscher Simone Giovanetti und Meru Sadhi, das Problem nicht durch die Untersuchung der in der Natur vorkommenden Viren anzugehen, sondern indem sie eine riesige Bibliothek künstlicher Hybride erstellten. Sie konzentrierten sich auf achtzehn spezifische Stellen, an denen sich die SARS-CoV-2- und die RaTG13-Viren unterscheiden. In der Natur bewegen sich diese Unterschiede in festen Blöcken gemeinsam, was es schwierig macht, festzustellen, welche einzelne Veränderung für die starke Bindung von SARS-CoV-2 und die schwache Bindung von RaTG13 verantwortlich ist. Die Wissenschaftler erschufen tausende einzigartige Mosaik-Versionen der Bindungsregion des Virus. Jedes Mosaik war ein Patchwork, das eine zufällige Mischung der achtzehn Unterschiede trug, wobei einige Stellen vom menscheninfizierenden Virus und andere vom Virus der Fledermaus stammten. Sie präsentierten diese Mosaike dann auf der Oberfläche von Hefezellen und maßen, wie stark jedes einzelne den menschlichen ACE2-Rezeptor packte.
Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Differenz in der Bindungsstärke nicht gleichmäßig über die gesamte Region verteilte. Stattdessen war die Kraft zur festen Bindung auf nur acht spezifische Positionen konzentriert. Die meisten dieser Stellen befanden sich direkt an der Oberfläche, an der das Virus die menschliche Zelle berührt. Wenn die Forscher die Aminosäuren des Virus der Fledermaus an diesen Stellen durch die Version des menschlichen Virus ersetzten, wurde die Bindung im Allgemeinen stärker. Doch die Geschichte war nicht einfach. Zwei spezifische Stellen, die Nummer 493 und 498, verhielten sich auf überraschende Weise. Im Virus der Fledermaus hielten diese Stellen ein starres, ringförmiges Molekül, das ihm half zu binden. Im menschlichen Virus hielten diese Stellen ein flexibles, polares Molekül, das für sich genommen die Bindung sogar abgeschwächt hätte. Wenn das menschliche Virus diese zwei Stellen einfach durch die Version der Fledermaus ersetzt hätte, hätte es noch besser gebunden. Aber das tat es nicht.
Der Grund für dieses kontraintuitive Ergebnis liegt in der Gesellschaft, die diese Stellen pflegen. Die Forscher fanden heraus, dass die Wirkung der Moleküle an den Stellen 493 und 498 vollständig von den sie umgebenden Nachbarn abhing. Im Virus der Fledermaus war die Umgebung so eingerichtet, dass sie die starren, ringförmigen Moleküle unterstützte. Im menschlichen Virus hatte sich das umgebende Milieu an drei anderen Stellen verändert. Diese Veränderungen schufen eine neue chemische Landschaft, die die flexiblen Moleküle an 493 und 498 viel besser funktionieren ließ, als sie es ansonsten getan hätten. Es war, als hätte das menschliche Virus eine maßgeschneiderte Stützstruktur um diese zwei Stellen herum gebaut, die es ihnen ermöglichte, trotz ihrer individuellen Schwäche effektiv zu funktionieren. Ohativ dieses spezifischen Hintergrunds wäre die Version dieser Stellen beim menschlichen Virus eine Belastung gewesen.
Diese Studie zeigt, dass man das Verhalten eines Virus nicht verstehen kann, indem man seine Teile isoliert betrachtet. Die Forscher zeigten, dass die Auswirkung einer einzelnen genetischen Veränderung von hilfreich zu schädlich umschlagen kann, je nach den anderen vorhandenen Veränderungen im selben Protein. Indem sie die natürlichen Kombinationen von Mutationen aufbrachen und sie in jeder möglichen Mischung testeten, konnten sie genau kartieren, welche Unterschiede am meisten zählen und wie sie miteinander interagieren. Sie fanden heraus, dass während eine kleine Anzahl von Stellen die großen Unterschiede in der Bindung vorantreibt, das Gesamtbild ein Verständnis dafür erfordert, wie diese Stellen mit ihren Nachbarn kommunizieren. Dieser Ansatz liefert eine detaillierte Darstellung auf Residuenebene darüber, warum SARS-CoV-2 so stark an Menschen bindet, während sein enger Verwandter dies nicht tut, und hebt hervor, dass der Weg zu einem neuen Wirt nicht nur durch einzelne Mutationen geebnet wird, sondern durch den komplexen Kontext, in dem sie erscheinen.
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