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Gekrümmtes Gitter aus Proteinen

Wissenschaftler des European Molecular Biology Laboratory (EMBL) und des Universitätsklinikums Heidelberg haben mit Hilfe der hochauflösenden Kryo-Elektronentomographie ein dreidimensionales Computermodell unreifer HIV-Partikel im Nanometerbereich erstellt.

Die dreidimensionalen Bilder zeigen die Gitterstruktur der Viren auf Proteinebene mit bisher nicht erreichter Auflösung und liefern eine Begründung, wie die Krümmung des kugeligen Proteingitters erreicht wird. Ein genaues Verständnis dieses Reifungsprozesses, bei dem Protein für Protein bis zum infektiösen AIDS-Virus aneinander gelagert wird, könnte neue Ansätze für zukünftige Therapien gegen AIDS eröffnen. Die Arbeit wurde online in der renommierten Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America“ (PNAS) veröffentlicht.

Dreidimensionales Bild unreifer HIV-Partikel © EMBL

Befällt der Aids-Erreger HIV das Immunsystem, so programmiert er dieses auf "Virusvermehrung" um. Dazu schleusen die Viren ihr Erbgut mit allen notwendigen Informationen in die Zelle ein: Von nun an vervielfältigen die Zellen das Erbgut des AIDS-Erregers und produzieren Bausteine der Virushülle wie das Eiweiß Gag. Die Gag-Proteine bilden um das Erbmaterial des Virus herum eine kugelförmige Gitterstruktur. Schließlich verlassen die neu gebildeten Viren mit Hilfe zelleigener Proteine die Zelle.

Kugelförmige Wabenstruktur mit Löchern

Wie dieses Gitter aus Gag-Proteinen aussieht und wie aus einer flachen Wabenstruktur eine Kugel gebildet wird, rekonstruierten die Teams um Dr. John Briggs, Forschungsgruppe Structural and Computational Biology am EMBL, und Professor Dr. Hans-Georg Kräusslich, Geschäftsführender Direktor des Hygiene-Instituts am Universitätsklinikum Heidelberg, aus hochauflösenden elektronenmikroskopischen Bildern. Normalerweise ist eine sechseckige Wabenstruktur flach und weist keine Krümmung auf. Die Gag-Proteine lagern sich jedoch selbstständig zu einer gekrümmten Wabenstruktur zusammen. Dadurch entsteht in dem Proteingitter Stress, der durch Löcher im Gitter ausgeglichen wird. Auf diese Weise entsteht eine kugelige Wabenstruktur mit unregelmäßig angeordneten Löchern. Dieser sehr einfache Vorgang spielt möglicherweise eine Rolle für die hohe Toleranz des Virus für genetische Veränderungen. Im weiteren Verlauf werden die Gag-Proteine enzymatisch gespalten, es entsteht das reife, infektiöse Virus mit intakter Schutzhülle.

Nun wollen die Heidelberger Wissenschaftler ihr Strukturmodell noch weiter verfeinern und weitere Details des Protein-Gitters aufdecken: „Je besser wir den Bildungs- und Reifungsprozess von HIV verstehen, desto eher können wir Schwachstellen ausfindig machen und als Angriffspunkte für gezielte Therapien nutzen“, sagt Professor Kräusslich.

Kryo-Elektronentomographie erlaubt Momentaufnahmen auf Nanoebene

Momentaufnahmen der molekularen Vorgänge sind in dieser Form nur mit der Kryo-Elektronentomographie möglich: Durch das blitzartige Einfrieren auf minus 196 Grad Celsius bleiben die räumliche Struktur und die Anordnung der Zell- bzw. Virusbestandteile erhalten. Die Untersuchungsobjekte bleiben unverfälscht – chemische Vorbehandlungen, Anfärben oder Schnitte sind nicht notwendig. Im Elektronenmikroskop wird das Objekt aus verschiedenen Richtungen durchstrahlt; ein dreidimensionales Struktur-Modell mit einer Auflösung von wenigen Nanometern, also Millionstel Millimetern, entsteht.

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