漢堡 EMBL 的研究人員與萊布尼茨分子藥理學研究所 (FMP) 的科學家合作，繪製了一張異常詳細的圖譜，顯示甲型流感如何改變受感染的人類細胞的形狀。他們定制的工作流程使他們能夠直接觀察完整細胞內的蛋白質相互作用。不再僅依賴孤立的樣本，
季節性流感每年在全球造成 300-500 萬例嚴重疾病，並導致多達 65 萬人死亡。甲型流感也引起了幾次大流行。包括 1918 年西班牙流感大流行。
進入細胞後，病毒釋放RNA，其中包含製造一小批病毒蛋白的指令。這些蛋白質透過宿主細胞擴散並改變其分子系統的方向。這使得細胞成為新病毒顆粒的生產來源。
完整細胞內流感病毒的圖譜
對收購的更清晰認識可以幫助科學家開發更有效的流感疫苗和抗病毒藥物。為了實現這一目標，研究人員需要了解哪些病毒蛋白質與人類蛋白質相互作用。接觸發生在哪裡？病毒如何利用這些蛋白質來支持自身複製？
這項新研究首次在完整的感染細胞內大規模繪製了流感蛋白和人類蛋白質之間的直接接觸圖。結構細節仍然足夠精確，研究人員可以模擬相互作用的蛋白質如何組合在一起。
漢堡 EMBL 和結構系統生物學中心 (CSSB) 的小組組長 Jan Kosinski 表示：「我們的工作代表了一種在本地背景下研究宿主與流感相互作用的新方法，並具有結構理解。」它為研究整個感染週期中宿主和流感之間的相互作用打開了大門。 」
克服重要的實驗問題
追蹤感染期間蛋白質之間的相互作用非常困難。先前的許多研究都依賴生化技術，要求科學家在測量蛋白質暴露之前分離暴露的細胞。
這些過程可能會扭曲活細胞內發生的事情。當內部通道被破壞時，最初分離的蛋白質可能會在實驗室中接觸。同時，微弱的、暫時的或特定位置的相互作用可能會消失。因此，研究人員可能很難確定感染之間實際存在哪些關聯。
「就在這時，我們得知我們的合作者 FMP Berlin 的 Boris Bogdanow 和 Fan Liu 開發了一種特殊版本的交聯質譜 (XL-MS)，這是一種長期存在的繪製蛋白質接觸圖譜的技術，是專門為病毒感染的細胞設計的。」Kosinski 說。
專門的方法可以幫助團隊實現預期的結果。這使得捕捉短暫的互動成為可能。或在受感染細胞的特定區域內
「XL-MS 使我們能夠直接捕獲受感染的完整細胞中的蛋白質-蛋白質相互作用。同時，它提供了有關這些相互作用如何發生的結構信息，」目前擔任柏林大學夏里特病毒學研究所初級研究組組長的 Bogdanow 解釋道。 “這讓我們深入了解病毒和人類細胞之間的界面。並可能有助於透過結構建模確定未來藥物幹預的可行目標。”
將實驗數據與 AlphaFold 結合
研究人員將 XL-MS 結果與計算結構模型配對。這使他們能夠識別相互作用的病毒和人類蛋白質，並評估它們連接時的位置。
為了對這些結構進行建模，團隊使用了 AlphaFold 的修改版本。它是獲得諾貝爾獎的蛋白質結構預測演算法。
「修訂後的 AlphaFold 方法的一個關鍵優勢是，它允許我們將實驗交聯數據直接輸入到結構建模中，」Kosinski 解釋道。 “這告訴模型病毒和宿主蛋白的部分在受感染的細胞內靠近在一起。這對於病毒-宿主複合物特別有用。這通常很難預測。”
流感劫持人體細胞的兩種方式
研究結果發表於 天然微生物學揭示了甲型流感似乎用來控制細胞的兩個關鍵策略。
第一個重點是血凝素。這是在病毒表面發現的一種蛋白質流感利用血凝素附著並進入宿主細胞。研究人員追蹤這種蛋白質通過細胞內部運輸和處理網路的過程。
這個網絡由在蛋白質被輸送到最終位置之前折疊、修飾和準備蛋白質的部分組成。分析表明，幾種人類蛋白質有助於在感染過程中正確折疊和修飾血凝素。一些宿主蛋白以前的功能知之甚少。
流感會溶解細胞核中的結構。
第二個發現涉及副眼鏡。這是一個小通道，就像細胞核內的一滴水一樣。研究團隊發現，感染甲型流感會導致這些結構崩潰。
當寄生蟲分解時，它們會釋放出與內部捕獲的 RNA 結合的蛋白質。病毒可能利用這些蛋白質來支持其自身的複製。
Iuliia Kotova 是 EMBL 漢堡 Kosinski 小組的前博士前研究員，現任職於蘇黎世聯邦理工學院，也是該論文的第一作者，他說：「最讓我們驚訝的是甲蟲。」這些細胞核中的物質均勻地溶解在我們測試的所有細胞和所有流感病毒株中。告訴我們這不是感染的副作用。但這可能是一種策略。 」
破壞可能會為流感帶來更多的好處。
「病毒可能還有第二個好處。一些證據表明，寄生蟲有助於細胞壓力反應和抗病毒基因的調節。因此，破壞它們可能會削弱細胞的一些防禦反應，」科辛斯基補充道。
三大機構共同努力
該計畫結合了三個機構的技術和專業知識。研究人員在柏林夏里特醫院進行了交聯質譜分析工作。糖蛋白分析在 EMBL 的蛋白質體學核心設施完成。
該團隊在 EMBL 計算集群上建立了 AlphaFold 模型，而顯微鏡成像則在 CSSB 的高級光學和螢光顯微鏡 (ALFM) 中進行。
研究病毒爆發潛力的新方法
研究結果表明，研究受感染細胞內的分子暴露可以揭示病毒在何處以及如何接管人類細胞的機制。研究人員表示，這種類型的「上下文映射」也可能有助於解釋其他病毒的行為。
「雖然確切的宿主因素和機制往往因病毒而異，但我們認為，我們的整體方法結合了細胞內的交聯結構建模和細胞生物學的有針對性的監測。以繪製病毒與原始宿主在感染的特定階段之間的相互作用。它仍然具有廣泛的適用性，」科辛斯基說。
儘管該研究檢查了實驗室適應的流感病毒株，但研究人員相信，同樣的策略最終可以用於檢測具有更大流行潛力的病毒。
Bogdanow對此表示同意，“雖然這項研究的重點是實驗室適應的菌株，但這項研究為將該方法應用於可能參與大流行的病毒（例如H5N1）以及發現支持人類細胞增殖的相互作用網絡奠定了基礎。”
