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The force of sugar in the SARS-CoV-2 spike/ACE-2 interaction

Projektleitung
Klausberger Miriam, BOKU Projektleiter/in
Laufzeit:
01.12.2021-30.11.2023
Programm:
Einzelprojekte
Art der Forschung
Grundlagenforschung
Mitarbeiter*innen
Reithofer Manuel, Projektmitarbeiter/in
Mühl Nathalie, Projektmitarbeiter/in (bis 30.06.2022)
Braun Clarissa, Projektmitarbeiter/in
Beteiligte BOKU-Organisationseinheiten
Institut für Biochemie (DCH/BC)
Institut für Molekulare Biotechnologie
Institut für Pflanzenbiotechnologie und Zellbiologie
Gefördert durch
Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) , Sensengasse 1, 1090 Wien, Österreich
Abstract
FORSCHUNGSKONTEXT
Virus-Rezeptor-Interaktionen sind für die Etablierung einer Infektion von zentraler Bedeutung. Viren, insbesondere RNA-Viren wie SARS-CoV-2, entwickeln sich ständig weiter; alle Mutationen im viralen Spike-Oberflächenglykoprotein, insbesondere in der Rezeptorbindungsdomäne, müssen deshalb sorgfältig überwacht werden. Auch die Eintrittspforte für SARS-CoV-2, der menschliche Rezeptor ACE-2, zeigt eine gewisse Heterogenität in Form von Einzelnukleotid-Polymorphismen. Das virale Spike-Protein und der ACE-2 Rezeptor sind stark glykosyliert und Glykane sind direkt an der Interaktion der beiden Proteine beteiligt, oder begünstigen diese. Mutationen im Spike-Protein, als auch Einzelnukleotid-Polymorphismen im ACE-2 Gen, die zum Verlust strategisch positionierter Glykane in oder nahe der Bindungsdomänen führen, erfordern unsere Aufmerksamkeit. Sie könnten die Anfälligkeit für eine SARS-CoV-2 Infektion und die Übertragbarkeit von Viren erhöhen. Ein tiefgreifendes Verständnis der Virus-Rezeptor-Interaktionen ist daher von erheblicher Bedeutung. Sie ermöglicht es, unser Wissen über die Affinität des Virus für bestimme Spezien, als auch Gewebearten und die Pathogenese in bestimmten menschlichen Populationen zu erweitern und uns frühzeitig auf neu auftretende Varianten von Belang vorzubereiten.

WISSENSCHAFTLICHE ZIELE
Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist es, verschiedene Spike- und ACE-2-Glykovarianten herzustellen und deren Interaktion zu analysieren. Der Schwerpunkt liegt hier auf natürlich vorkommenden ACE-2-Glykovarianten-Polymorphismen. Verschiedene Spike/ACE-2 Glykomutanten werden auf deren Fähigkeit untersucht unter dynamischen Bedingungen zu interagieren, wir werden die Bindungsstärken und -kinetik quantifizieren und ihre Interaktionsenergielandschaft kartieren. Weiters wird die strukturelle Rolle gewisser Glykosylierungen auf die Konformationsdynamik, als auch die inhibitorische Wirkung löslicher ACE-2-Glykovarianten auf die Bindung von Spike-Glykomutanten an zelluläre ACE-2-Rezeptoren untersucht.

ANSATZWEISE
Lösliche SARS-CoV-2-Spike- und ACE-2-Glykomutanten werden rekombinant in humanen Zelllinien exprimiert und durch quantitative Glykopeptid-Analyse umfassend charakterisiert. Die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Proteinvarianten werden in Einzelmolekül- und Rasterkraftmikroskopie-Experimenten analysiert, die im Gegensatz zu Ensemble-Methoden jedes einzelne Bindungs-/Dissoziationsereignis erfassen können. Hochgeschwindigkeits-AFM-Filme werden die dynamischen Konformationsänderungen von isolierten SARS-CoV-2-Spike-Protein-Glykomutanten direkt filmen.

INNOVATION
Im Gegensatz zu bisherigen Studien, die auf bereits verbreitete Spike-Varianten und dem Wildtyp-Rezeptor ACE-2 basieren, legen wir einen besonderen Fokus auf spezifische Glykosylierungsstellen der Interaktionspartner, von denen aufgrund ihrer strategischen Position angenommen wird, dass sie die Virus-Wirt-Interaktion beeinflussen. Unsere umfassenden Untersuchungen werden nicht nur zu einer wertvollen Datensammlung für die Entschlüsselung der Mechanismen der Spike-ACE-2-Varianten-Interaktion führen, sondern auch eine experimentelle Grundlage für das Design neuartiger Therapeutika zur effektiven Blockierung des Eintritts von viralen Varianten liefern.

PI/co-PI: Peter Hinterdorfer, Miriam Klausberger

Schlagworte
Experimentalphysik; Biophysik; Glykobiologie; Mikrobiologie; Medizinische Biotechnologie;
Einzelmolekül-Kraftspektroskopie; Einzelnukleotidpolymorphismus; Proteinglykosylierung; Rasterkraftmikroskopie;
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