I ricercatori dell’Università del Maryland, Baltimore County (UMBC) hanno scoperto una fase cruciale che gli enterovirus utilizzano per riprodursi all’interno delle cellule umane. I risultati, pubblicati su Nature Communications , spiegano come i virus responsabili di malattie come la poliomielite, l’encefalite, la miocardite e persino il raffreddore comune prendano il controllo dei meccanismi cellulari per replicarsi. Gli scienziati affermano che questa scoperta potrebbe in futuro aiutare i ricercatori a creare una nuova generazione di farmaci antivirali in grado di colpire contemporaneamente molti enterovirus.
Lo studio è stato condotto da Deepak Koirala, professore associato di chimica e biochimica presso la UMBC, insieme a Naba Krishna Das, neolaureato con dottorato di ricerca. Il loro lavoro contribuisce a rispondere a domande di lunga data su come questi virus avviino la replicazione una volta invasa una cellula.
“Il mio laboratorio è sempre stato molto motivato a capire come i virus a RNA producono le loro proteine all’interno della cellula e moltiplicano il loro genoma per creare più particelle virali”, afferma Koirala. Precedenti studi del team avevano identificato un’importante struttura a forma di trifoglio all’interno dell’RNA del virus. Il nuovo studio mostra come tale struttura recluti le proteine necessarie per costruire il macchinario di replicazione virale.
Come si riproducono gli enterovirus all’interno delle cellule
Gli enterovirus possiedono genomi a RNA molto piccoli che devono svolgere due funzioni contemporaneamente. L’RNA virale deve dirigere la produzione di proteine virali e al tempo stesso fungere da stampo per la creazione di nuove copie del virus.
La maggior parte del genoma virale contiene le istruzioni per le proteine strutturali, ma codifica anche diverse proteine specializzate necessarie per la replicazione. Una delle più importanti è una proteina di fusione chiamata 3CD.
La porzione 3C taglia le lunghe catene di amminoacidi nelle singole proteine di cui il virus ha bisogno. La porzione 3D agisce come una RNA polimerasi, un enzima che copia l’RNA virale permettendo al virus di riprodursi. Le cellule umane non contengono naturalmente questo tipo di polimerasi, il che significa che il virus deve produrne una propria.
“In precedenza avevamo determinato la struttura del solo RNA, mentre altri gruppi avevano determinato la struttura di 3C e 3D, ma ora abbiamo catturato la struttura dell’RNA e delle proteine insieme, quindi sappiamo come interagiscono”, spiega Koirala. “Abbiamo scoperto che è il dominio 3C di 3CD che si lega all’RNA nel genoma virale e poi recluta gli altri componenti, come la proteina ospite PCBP2, per assemblare il complesso di replicazione.”
I ricercatori hanno anche scoperto che questo complesso molecolare funziona come un interruttore. Quando la proteina 3CD è attaccata, il virus copia il suo genoma a RNA. Quando la proteina si stacca, l’RNA diventa disponibile per la produzione di proteine virali.
Gli scienziati risolvono un mistero virale di lunga data
Per esaminare nel dettaglio queste interazioni, il team ha utilizzato la cristallografia a raggi X per visualizzare insieme la struttura a trifoglio dell’RNA e la proteina 3CD. Si sono inoltre avvalsi della calorimetria di titolazione isotermica (ITC), che misura il calore rilasciato quando le molecole si legano, e dell’interferometria a strato biologico (BLI), che utilizza le variazioni nell’interferenza della luce per monitorare per quanto tempo le molecole rimangono attaccate.
Gli esperimenti hanno contribuito a risolvere un dibattito scientifico in corso. I ricercatori hanno dimostrato che due molecole complete di 3CD, ciascuna contenente la propria RNA polimerasi, si legano fianco a fianco all’RNA virale. Precedenti ricerche avevano invece ipotizzato che le proteine formassero un’unica coppia fusa.
Gli scienziati non hanno ancora compreso appieno perché siano necessarie due copie, ma il nuovo studio fornisce un quadro molto più chiaro di come inizia il processo di replicazione.
Potenzialità dei farmaci antivirali ad ampio spettro
Uno dei risultati più promettenti è stata la somiglianza del meccanismo riscontrato in tutti e sette gli enterovirus esaminati nello studio. I virus presentavano strutture a trifoglio di RNA e comportamenti di legame pressoché identici.
Tale livello di somiglianza suggerisce che la struttura dell’RNA sia estremamente importante per la sopravvivenza virale. Mutazioni significative potrebbero compromettere la replicazione, rendendo la struttura un potenziale bersaglio farmacologico stabile per molti enterovirus.
Secondo i ricercatori, ciò apre la possibilità di sviluppare farmaci antivirali ad ampio spettro, in grado di agire contro un’intera famiglia di virus anziché contro un singolo agente patogeno.
Gli scienziati stanno già sviluppando farmaci che interferiscono con le proteine 3C e 3D, ma le nuove scoperte rivelano un’altra possibile strategia.
Sono già in fase di sviluppo farmaci che interferiscono con l’attività delle proteine 3C e 3D, ma “ora abbiamo un ulteriore livello da testare”, afferma Koirala. “E se prendessimo di mira l’RNA, o l’interfaccia RNA-proteina, in modo da interrompere l’interazione? Questa è un’altra opportunità. Ora che disponiamo di strutture ad alta risoluzione, possiamo progettare con precisione molecole farmacologiche per colpire questi punti.”
Secondo Koirala, lo studio evidenzia quanto possano essere sorprendentemente sofisticati i virus, nonostante i loro genomi siano minuscoli.
“I virus sono incredibilmente ingegnosi. Il loro intero genoma equivale a circa una singola sequenza di mRNA nell’uomo, eppure sono così efficaci”, afferma Koirala. Il suo ultimo lavoro dimostra “perché è necessario approfondire questa scienza di base, in modo che possa essere tradotta nello sviluppo di farmaci mirati contro i patogeni che causano così tante malattie dannose”.
Basi strutturali per il reclutamento di 3C e 3CD da parte dei genomi enterovirali durante la sintesi dell’RNA a filamento negativo.
Astratto
Gli RNA a trifoglio legati alla replicazione degli enterovirus reclutano la proteina virale 3CD, una fusione della proteasi 3C e della RNA-polimerasi RNA-dipendente 3D, per la sintesi del filamento negativo durante la replicazione del genoma. Tuttavia, le strutture e i meccanismi di questo processo virologico rimangono poco chiari. Utilizzando il modello del virus Coxsackie B3, abbiamo determinato le strutture cristalline sia del complesso trifoglio-3C intatto che del complesso sD-3C isolato, rispettivamente a una risoluzione di 2,69 Å e 2,41 Å. Le nostre strutture rivelano che l’ansa a forcina sD è l’unico determinante per il legame di due monomeri 3C, con ciascun monomero che riconosce la superficie laterale dello stelo sD a monte (verso l’ansa apicale tetra) o a valle (vicino al rigonfiamento dinucleotidico) dell’elica Py•Py. Studi di legame con mutanti di cloverleaf e 3C guidati dalla struttura chiariscono ulteriormente i ruoli di specifici nucleotidi e residui coinvolti nelle interazioni tra cloverleaf e 3C, spiegando precedenti osservazioni virologiche. Attraverso studi comparativi di struttura e legame di 3C, 3D e 3CD con cloverleaf provenienti da sette diverse specie di enterovirali, dimostriamo che, mentre il dominio 3D non contribuisce al legame con cloverleaf, la sequenza sD e il suo modello strutturale governano le interazioni 3CD-cloverleaf attraverso il dominio 3C. Il nostro lavoro stabilisce un quadro strutturale ad alta risoluzione per la comprensione dei meccanismi di replicazione degli enterovirali, che aiuterà nello sviluppo di farmaci antivirali mirati a questa piattaforma.
Materials provided by University of Maryland Baltimore County. Note: Content may be edited for style and length.
Naba Krishna Das, Alisha Patel, Reem Abdelghani, Deepak Koirala. Structural basis for 3C and 3CD recruitment by enteroviral genomes during negative-strand RNA synthesis. Nature Communications, 2025; 16 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-64376-0
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