Integrated Computational Design and Molecular Dynamics Evaluation of Novel siRNAs Targeting the Hemagglutinin Gene of Measles Virus

Der unsichtbare Lockpick und der virale Schlüssel

Stellen Sie sich Ihren Körper als eine geschäftige Stadt vor, und in dieser Stadt sind Ihre Zellen die Gebäude. Manchmal versuchen winzige Eindringlinge wie Viren, einzubrechen. Um dies zu tun, benutzen sie spezielle „Schlüssel“ auf ihrer Oberfläche, um die Türen Ihrer Zellen aufzuschließen. Einmal im Inneren, kapern sie die Maschinerie des Gebäudes, um Kopien von sich selbst zu erstellen, was Chaos verursacht. Einer der berüchtigtsten Eindringlinge ist das Masernvirus. Obwohl wir einen Impfstoff haben, der wie ein Sicherheitswächter fungiert, um ihn zu stoppen, kommt es immer noch zu Ausbrüchen, wenn der Wächter fehlt oder die Stadt zu überfüllt ist. Wenn derzeit jemand an Masern erkrankt, können Ärzte ihm kein Medikament geben, das das Virus direkt tötet; sie können nur helfen, dass sich die Person besser fühlt, während ihr Körper es bekämpft. Wissenschaftler suchen nach einer neuen Art von „Lockpick“, der das Virus stoppen kann, noch bevor es überhaupt ins Innere gelangt.

Hier kommt ein leistungsstarkes Werkzeug namens RNA-Interferenz (RNAi) ins Spiel. Betrachten Sie RNAi als einen hochspezifischen „Stopp-Knopf“ für genetische Anweisungen. In unseren Zellen gibt es winzige Maschinen, die Baupläne (mRNA) lesen, um Dinge zu bauen. Wenn man in die Maschine, die genau zum Bauplan des Virus passt, eine winzige, maßgeschneiderte Notiz (genannt kleine interferierende RNA oder siRNA) einschleusen kann, wird die Maschine den Bauplan zerschreddern, anstatt das Virus zu bauen. Die Herausforderung besteht darin, die perfekte Notiz zu entwerfen, damit sie nur das Virus angreift und nicht versehentlich die Anweisungen für Ihre eigenen gesunden Zellen löscht. In dieser Arbeit geht es darum, super schnelle Computer zu nutzen, um diese Notizen zu entwerfen und zu testen, um zu sehen, ob sie das Masernvirus in seiner Spur stoppen können.

Die digitale Jagd nach dem perfekten Virusstopp

In dieser Studie beschloss ein Team von Forschern der Jahangirnagar University in Bangladesch, ein hochriskantes Spiel eines digitalen Detektivs zu spielen. Sie wollten die perfekten siRNA-„Notizen“ finden, um einen spezifischen Teil des Masernvirus anzugehen, das sogenannte Hämagglutinin (H)-Gen. Sie können sich das H-Gen als die Bedienungsanleitung für den Bau des Schlüssels des Virus vorstellen – den Teil, der es ermöglicht, an Ihre Zellen anzuhaften. Wenn sie diese Anleitung zerstören können, kann das Virus seinen Schlüssel nicht bauen und kann nicht eindringen.

Zuerst untersuchte das Team 96 verschiedene Versionen des Masernvirus aus der ganzen Welt. Sie wollten sicherstellen, dass ihre Notizen bei allen von ihnen funktionieren, nicht nur bei einem. Durch das Hintereinanderschalten der genetischen Codes dieser 96 Stämme fanden sie etwas Beruhigendes: Die Anweisungen für den „Schlüssel“ des Virus waren über alle hinweg fast identisch. Das bedeutete, dass sie nur einen Satz Notizen entwerfen mussten, um potenziell die gesamte Virusfamilie zu stoppen.

Als Nächstes verwendeten sie ein Computerprogramm, um 11 verschiedene Kandidaten-Notizen zu generieren. Aber sie mussten vorsichtig sein; sie wollten keine Notiz, die versehentlich die eigenen Anweisungen eines Menschen stören könnte. Sie ließen einen strengen Filter laufen und prüften, ob jede Notiz genügend Unterschiede zu menschlichen Genen aufwies, um keine Probleme zu verursachen. Dies hinterließ ihnen eine Shortlist von 11 vielversprechenden Kandidaten.

Dann kam der „thermodynamische“ Test. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, zwei Magnete aneinanderzukleben. Wenn sie zu schwach sind, fallen sie auseinander; wenn sie zu stark sind, könnten sie sich am falschen Ort festsetzen. Die Forscher berechneten, wie gut ihre Notizen an die Anweisungen des Virus haften würden. Sie fanden heraus, dass 10 der 11 Notizen perfekt waren – sie hatten die richtige „Klebrigkeit“, um das Virus zu greifen, aber nicht so viel, dass sie verwirrt werden würden. Eine Notiz, genannt S6, war etwas zu schwach und haftete nicht gut genug, also warfen sie sie weg.

Nun geschah die eigentliche Magie. Die Forscher mussten sehen, ob diese Notizen tatsächlich in die „Maschine“ in unseren Zellen passen können, die das Zerschreddern übernimmt. Diese Maschine wird menschliches Argonaute-2 (hAgo2) genannt. Sie ist wie eine molekulare Schere. Das Team nutzte einen Computer, um die Andockung ihrer 10 Notizen in die Schere zu simulieren, um zu sehen, welche am besten passen. Sie fanden heraus, dass drei Notizen – S3, S4 und S7 – perfekt einrastten. Sie passten besser in den aktiven Teil der Schere (den sogenannten PIWI-Domäne) als die anderen, mit sehr starken Bindungswerten von -367,22, -349,03 und -383,07 kcal/mol.

Aber es reicht nicht aus, einmal hineinzupassen; die Notiz muss dort bleiben, während das Virus zerstört wird. Um dies zu prüfen, führte das Team eine 100-Nanosekunden-Molekulardynamik-Simulation durch. Denken Sie an dies als einen Hochgeschwindigkeitsfilm, in dem sie beobachteten, wie die Notizen und die Scheren wackelten, zitterten und zusammen tanzten. Sie maßen, wie sehr die Struktur wackelte (RMSD) und wie fest sie zusammenhielt. Die Ergebnisse waren ermutigend: Alle drei Kandidaten (S3, S4 und S7) blieben stabil und fielen nicht auseinander. S3 war die stabilste der Gruppe, wackelte am wenigsten, während S4 und S7 ebenfalls gut standhielten. Sie prüften auch, wie viele „Handschläge“ (Wasserstoffbrückenbindungen) die Notizen mit der Schere machten; S7 bildete die meisten aus, was auf einen sehr starken Griff hindeutete.

Was dies bedeutet (und was es nicht bedeutet)

Die Arbeit legt nahe, dass diese drei Kandidaten – S3, S4 und S7 – ausgezeichnete Entscheidungen sind, um das Masernvirus zu stoppen, zumindest in der Welt der Computersimulationen. Sie haben die richtige Form, die richtige Klebrigkeit und bleiben stabil, wenn sie auf die Schneidemaschine der Zelle treffen. Die Forscher sind zuversichtlich, dass dies die Top-Kontender aus ihrer Liste von 11 sind.

Es ist jedoch wichtig zu bedenhalten, dass dies alles innerhalb eines Computers geschieht. Die Autoren stellen sehr klar, dass sie diese Notizen noch nicht in einer echten Petrischale oder in einem lebenden Tier getestet haben. Sie haben nicht bewiesen, dass diese Notizen tatsächlich eine Maserninfektion beim Menschen stoppen werden. Die Studie ist ein „präklinischer Rahmen“, was eine schicke Art zu sagen ist: „Wir haben die Hausaufgaben gemacht und die besten Kandidaten gefunden; jetzt müssen wir die echten Experimente durchführen.“

Obwohl dies also heute noch kein Heilmittel für Masern ist, ist es eine sehr vielversprechende Landkarte, der Wissenschaftler folgen können. Sie zeigt ihnen genau, welche drei Notizen sie als Nächstes aufheben und im Labor testen sollen. Wenn diese zukünftigen Tests funktionieren, könnten wir eines Tages eine neue Waffe im Kampf gegen Masern besitzen, die auch dann funktioniert, wenn keine Impfstoffe verfügbar sind oder das Virus versucht, sich zu verstecken. Für den Moment sagt der Computer „Go“, aber die reale Welt muss noch „Ja“ sagen.