Simulation der Wirkung des Virus gegen Zellen, ein zusätzliches Werkzeug im Kampf gegen Covid-19

Digitale Simulationstechniken modellieren nicht nur das Verhalten und die Entwicklung der Covid-19-Pandemie im makroskopischen Maßstab, sondern ermöglichen auch die Untersuchung der mikroskopischen Entwicklung des Virus und der Mechanismen, die für die Infektion des Menschen verantwortlich sind ihre Ansteckungsgefahr auf der Skala von Atomen und Molekülen. Die Kenntnis der Phänomene in dieser Größenordnung liefert grundlegende Elemente für die Entwicklung von Arzneimitteln oder Impfstoffen.

Angesichts des gesundheitlichen Notfalls haben wir eine zusammengestellt internationales Konsortium um auf molekularer Ebene die Art der Virusinfektion von Coronaviren zu analysieren.

Die Proteine ​​des Virus verändern ihre Form, wenn es auf unsere Zellen einwirkt

Was ist molekulare Simulation? Diese Disziplin zielt darauf ab, Algorithmen anzuwenden, die auf physikalischen Gesetzen basieren, zum Beispiel Newtons Gleichungen oder den Gesetzen der Quantenphysik, um die Relativbewegung aller Atome zu beschreiben, aus denen unser interessierendes System besteht, zum Beispiel Proteine ​​oder Säuren Nucleics interagieren miteinander.

In gewissem Sinne geht es darum, ein ultimatives virtuelles Mikroskop zu bauen, mit dem wir jedes Atom oder sogar jedes Elektron sehen können. Unser "Mikroskop" zeigt, wie sich Atome entwickeln und wie sich die biologische Struktur des Virus im Laufe der Zeit verändert. Diese Art der Analyse ermöglicht die Erstellung eines Videos, das zeigt, wie das Coronavirus eine menschliche Zelle infiziert oder wie es der Erkennung durch das Immunsystem entgeht.

Damit der Film so realitätsnah wie möglich ist, müssen die Annäherungen zur Definition des Modells gut beherrscht und so präzise wie möglich sein. Die Herstellung dieser Art von Film ist in Bezug auf Zeit und Rechenressourcen besonders kostspielig: Um eine Zeitskala von einigen hundert Nanosekunden zu beschreiben, würde die Berechnung mehrere Monate oder sogar Jahre dauern. Deshalb der Einsatz von Supercomputern, hier die Supercomputer Jean Zay, basierend auf massiv parallelen Architekturen, ist von grundlegender Bedeutung, um in angemessener Zeit statistisch signifikante Ergebnisse zu erzielen.

Trotzdem kann die heutige molekulare Simulation beispielsweise originelle Antworten auf viele biologische Fragen liefern der Einfluss von DNA-Schäden bei der Entwicklung von Krebserkrankungen oder erklären Sie die Mechanismen, die a visuelle Überempfindlichkeit bei schlechten Lichtverhältnissen Dies ist eine Nebenwirkung bestimmter Krebsmedikamente.

Die molekulare Simulation muss unbedingt in Verbindung mit experimentellen Techniken verwendet werden, um alle Elemente für ein besseres Verständnis pathologischer Prozesse bereitzustellen.

Wie SARS-CoV-2 menschliche Zellen infiziert

Wir haben das Verhalten und die Wirkmechanismen von zwei wichtigen viralen Proteinen in SARS-CoV-2 simuliert: dem sogenannten "Spitze"und die einzelne Domain "SARS Unique Domain"oder SÜD. Das Protein Spitze ist ein virales Hüllprotein. Es gibt ihm seine typische "Kronen" -Form und ermöglicht dem Virus, in menschliche Zellen einzudringen.

Das SUD-Protein befindet sich in der Hülle des Virus und kann es dem Virus ermöglichen, der Überwachung durch das Immunsystem zu entgehen, indem es mit RNA-Strängen im Wirt oder in der infizierten Zelle interagiert. Diese beiden Proteine ​​könnten daher die Ursache für die Gefährlichkeit und Ansteckungsgefahr dieses neuen Coronavirus sein.

Das Protein Spitze bindet an die Oberfläche von Zellen, insbesondere in der Lunge. Auf der Seite der menschlichen Zellen gibt es einen „Rezeptor“ namens ACE2; Proteinseite Spitzegibt es eine Region, die als "Rezeptorbindungsdomäne" oder "RBD" bezeichnet wird.

Schematische Darstellung von SARS-CoV-2. Die Proteine Spikes sind rot, aber die SUD-Proteine ​​sind nicht sichtbar und befinden sich innerhalb der Virushülle.
CDC / Alissa Eckert, MS; Dan Higgins, MAM

Die Verankerung zwischen dem menschlichen Rezeptor und der Bindungsdomäne des Virus ist der erste Schritt in dem Prozess, der zur Fusion der Virusmembran mit der der menschlichen Zelle und damit zur Infektion führt. Die starke Affinität von SARS-CoV-2 zum ACE2-Rezeptor ist einer der Gründe für seine große Ansteckungsgefahr, aber auch für die durch diese Infektion verursachten Komplikationen der Atemwege und die erhöhte Gefahr für Patienten mit Bluthochdruck.

Unsere Simulationen Moleküle entschlüsseln die Bildung eines stabilen Komplexes zwischen RBD und ACE2 und identifizieren die wichtigsten Ankerpunkte und die zugrunde liegenden Mechanismen.

Testen Sie praktisch die Wirkung neuer Medikamente

Diese Ergebnisse ermöglichen es, das erste Stadium der Infektion mit SARS-CoV-2 zu verstehen, aber auch mithilfe einer molekularen Simulation den Einfluss bestimmter Arzneimittel oder natürlicher Verbindungen auf diese Wechselwirkung zu testen. Interessanterweise konnten bestimmte getestete Verbindungen eine starke Destabilisierung des Komplexes zwischen RBD und ACE2 bewirken, wie die Vergrößerung des Abstands zwischen den beiden Proteinen in Gegenwart des Arzneimittels zeigt.

Diese vielversprechenden Ergebnisse müssen durch Tests bestätigt werden in vitro und in vivo um auf ihre tatsächliche Wirksamkeit zu schließen, bieten sie jedoch einen interessanten Weg für die Entwicklung oder Neupositionierung von Arzneimitteln gegen SARS-CoV-2.

Wie SARS-CoV-2 an die RNA in unseren Zellen bindet und sie daran hindert, ihre Arbeit zu erledigen

Das SUD-Protein ermöglicht es dem Virus, sich zu tarnen und in infizierten Zellen nicht als Krankheitserreger erkannt zu werden, was seine hohe Infektionskapazität erklärt.

Unsere Hypothese ist, dass das SUD-Protein des Virus Messenger-RNA-Stränge aus der Zielzelle binden könnte, was die Produktion spezifischer Proteine ​​durch die Zelle verhindern würde. Normalerweise besteht die Aufgabe dieser Proteine ​​darin, die Zelle vor der Reifung des Virus zu zerstören, wodurch die Virusübertragung gestoppt und die Ausbreitung der Infektion verlangsamt wird. Aus struktureller Sicht besteht das SUD-Protein aus zwei Untereinheiten, die für sich geschlossen werden müssen, um seine Wirkung auszuüben.

Das SUD-Protein von SARS-CoV-2 in seiner offenen Form links und in seiner geschlossenen Form rechts. Die RNA ist dunkelblau und lila dargestellt.
Antonio Monari, Autor zur Verfügung gestellt

Wir zeigten dass die "kompakte" oder geschlossene Form durch Wechselwirkung mit der RNA von Zielzellen erhalten bleibt. Tatsächlich gibt es spezielle Anordnungen von Nukleinsäuren, aus denen DNA und RNA in Zellen bestehen Guanin-Quadruplexe. Diese Anordnungen modifizieren die kanonische Struktur der Doppelhelix, da sie quadratische Stapel bilden, in denen vier Nukleinsäurebasen über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind.

Unsere molekularen Simulationen zeigen, dass das SUD-Protein in Form von Guanin-Quadruplexen effizient an RNA binden kann. Es gibt zwei Arten des Andockens: Der erste Modus würde Guanin-Quadruplexe entlang der Ziel-RNA "erkennen", bevor er heruntergefahren wird, um sie außer Gefecht zu setzen. Der zweite Modus würde andererseits die kompakte Form des SUD-Proteins auf RNA stabilisieren und daher die Eliminierung infizierter Zellen durch das Immunsystem verhindern.

Auch hier könnten die Sequenzen, die an den Wechselwirkungen zwischen RNA und SUD-Protein beteiligt sind, gezielt für die rationale Entwicklung neuer Medikamente eingesetzt werden.

Wissenschaftliche Methode und der Kampf gegen Covid-19

Die Auflösung auf der Ebene von Atomen und Molekülen könnte es uns auch ermöglichen, zu untersuchen, wie bestimmte Mutationen des Virus die untersuchten Phänomene beeinflussen und somit die Auswirkungen potenzieller Mutanten verhindern oder entgegenwirken können.

Natürlich haben auch molekulare Simulationen wie jede wissenschaftliche Methode ihre Grenzen, hauptsächlich aufgrund der Genauigkeit des verwendeten Modells, aber auch aufgrund der Erweiterung der statistischen Stichproben. Zum Beispiel können andere Arten der Verankerung für die Zielproteine ​​oder -medikamente nicht vollständig ausgeschlossen werden und könnten durch Verlängerung der Dauer unserer Simulationen auftreten. Wir sollten daher keine voreiligen Schlussfolgerungen aus einem einzigen Experiment ziehen, im Gegenteil, der Vergleich mit Daten aus komplementären Techniken ist immer von grundlegender Bedeutung. Dies ist im Grunde nichts anderes als die Grundlage der wissenschaftlichen Methode, die, wie Karl Popper sagtemuss auf der Kontrolle und Widerlegbarkeit der Annahmen und Ergebnisse beruhen. Die Aufgabe dieser Grundsätze, insbesondere im Kontext einer tiefen Gesundheits- und Sozialkrise, ist höchst verantwortungslos und kann nicht geduldet werden.


Möglich wurde diese Arbeit durch das starke Engagement des CNRS und insbesondere der nationalen Rechenzentren GENCI und IDRIS, die a vorrangiger Zugriff an den Jean Zay Supercomputer, einen der leistungsstärksten der Welt, für die Durchführung unserer Simulationen. Unsere Ergebnisse zeigen auch die Stärke und Notwendigkeit einer internationalen Zusammenarbeit: Unser internationales Konsortium bringt verschiedene Teams aus der Universität Lothringen und dem CNRS, der Universität Alcalá de Henares und Valencia in Spanien sowie der Universität Palermo zusammen in Italien.

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