Glycanen maken papillomavirus flexibel door uitgerekte structuur te stabiliseren

Wetenschappers van het Moleculaire Biofysica-lab van het Zernike Instituut en hun internationale samenwerkingspartners hebben belangrijke inzichten onthuld met betrekking tot de moleculaire interacties die plaatsvinden tijdens de eerste stappen van een infectie met het humaan papillomavirus (HPV). Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

HPV’s behoren tot een grote familie van DNA-virussen die ziekten veroorzaken variërend van asymptomatische infecties tot keel- of genitale kankers. Hoewel er vaccins beschikbaar zijn om HPV-infecties te voorkomen, is de ontwikkeling van aanvullende antivirale strategieën zeer gewenst. Om een dieper inzicht te krijgen in de initiële interacties tussen HPV en gastheercellen in de basale laag, onderzochten onderzoekers van de Roos-groep (Moleculaire Biofysica, Zernike Instituut) in samenwerking met wetenschappers van het CSSB Hamburg en de Universität Münster de rol van cellulaire heparaansulfaten (HS) in de cellulaire opname van HPV. Met behulp van een combinatie van virologische tests, waterstof/deuterium-uitwisselingsmassaspectrometrie en atoomkrachtmicroscopie bepaalden de onderzoekers het effect van de binding tussen het virale capside en HS, evenals de structurele activering.

HPV-capsiden binden aanvankelijk aan cellen via heparaansulfaat (HS), wat lineaire polysachariden zijn die zich op het celoppervlak bevinden. “We realiseerden ons dat deze interactie tussen HPV’s en HS leidt tot conformationele veranderingen in het viruscapside,” merkt Dominik van Bodegraven van de Universität Münster op, een van de eerste auteurs van het onderzoek. “Deze interacties waren echter slecht gedefinieerd en hun moleculaire aard en specifieke functie bleven onduidelijk.”

Om dit op te helderen, gebruikten de onderzoekers een tastmicroscoop (ook wel atoomkrachtmicroscoop (AFM) genoemd) om HS-gebonden HPV’s op het niveau van een enkel virus in beeld te brengen en om virale mechanische eigenschappen, zoals de veerconstante van het virus (een maat voor de stijfheid van een virus), te meten.

“Wij laten zien dat de activering van meerdere bindingsplaatsen pas werkt vanaf een bepaalde, minimale lengte van HS-polysachariden en dat dit noodzakelijk is voor structurele activering,” legt eerste auteur Yuzhen Feng uit van het Zernike Institute for Advanced Materials aan de Rijksuniversiteit Groningen.

Verder onderzoek naar deze interacties werd uitgevoerd via waterstof/deuterium-uitwisselingsmassaspectrometrie, die lokale structurele en dynamische veranderingen in eiwitten in kaart brengt. Dit onthulde dat door de binding van HS aan HPV-capsomeren een reversibele tangachtige kracht wordt uitgeoefend. “Deze kracht stabiliseert het virale capside in een vorm met uitgerekte capsomeerverbindingen,” legt eerste auteur Alan Kadek uit, voormalig lid van de Uetrecht-groep van het CSSB en nu werkzaam bij het Instituut voor Microbiologie van de Tsjechische Academie van Wetenschappen. “Het capside wordt daardoor zowel vergroot als verzacht, wat uiteindelijk de virale opname in de gastheercel vergemakkelijkt.”

“Het is fascinerend om te zien hoe we met behulp van deze complementaire technieken dieper inzicht konden krijgen in de levenscyclus van HPV,” zegt Wouter Roos. Roos is de gedeelde laatste auteur van het manuscript en leidt een groep aan het Zernike Instituut die zich richt op mechanica en dynamica op nano- tot microschaal. Een van de belangrijkste technieken in zijn lab is atoomkrachtmicroscopie (AFM), die in deze studie werd gebruikt voor de mechanische karakterisering van de virusdeeltjes via een benadering genaamd nano-indentatie. “Al met al onthult dit werk nieuwe mechanistische inzichten in de eerste stappen van een HPV-infectie, die waarschijnlijk zowel de fundamentele wetenschap vooruithelpen als de ontwikkeling van nieuwe remmers op basis van kleine moleculen ondersteunen om HPV-infecties te bestrijden,” merkt Charlotte Uetrecht op, CSSB-groepleider en een van de corresponderende auteurs van de studie.

Originele publicatie:

Yuzhen Feng, Dominik van Bodegraven, Alan Kádek, Ignacio L.B. Munguira, Laura Soria-Martinez, Sarah Nentwich, Sreedeepa Saha, Florian Chardon, Daniel Kavan, Charlotte Uetrecht, Mario Schelhaas, Wouter H. Roos

Glycan-induced structural activation softens the human papillomavirus capsid for entry through reduction of intercapsomere flexibility.

Nature Communications 15, 10076 (2024)

https://doi.org/10.1038/s41467-024-54373-0