An urgent need for expanded virus research

Význam tématu

Masová spektrometrie (MS) představuje klíčový nástroj pro rychlé a detailní pochopení struktury, funkce a vzájemných interakcí virů a hostitelských buněk. Pandemie SARS-CoV-2 ukázala, že pokročilé MS metody umožňují během několika týdnů od vzniku nového patogenu získat informace zásadní pro vývoj diagnostiky, léčiv a vakcín.

Cíle a přehled studie / článku

White paper popisuje nejvýznamnější přístupy v MS se zaměřením na:

• charakterizaci intactních virových částic a jejich složek (native MS, top-down MS),
• analýzu glykoproteomiky a glykomiky virových povrchových proteinů,
• zmapování konformačních změn a dynamiky virových komplexů (HDX-MS),
• identifikaci protein-protein a protein-ligand interakcí mezi virem a hostitelem (XL-MS, AP-MS),
• imunopeptidomiku k odhalení prezentovaných virových epitopů pro T-lymfocyty.

Použitá metodika a instrumentace

Metodologický arzenál zahrnuje:

• Native MS pro měření intactních virových částic, subjednotkovou stoichiometrii a vazby ligandů.
• Top-down MS a střídavá redukce náboje pro detailní analýzu složení kapsidových proteinů.
• Glycoproteomics (enzymatický digest, enrichování glykopeptidů, LC-MS/MS) a glycomics (release a značení volných glykánů, LC-MS).
• HDX-MS pro zkoumání konformačních změn a solventní dostupnosti virových proteinů.
• Crosslinking-MS (XL-MS) pro topologii proteinových komplexů a interakční mapy.
• Affinity purification-MS (AP-MS) s kvantitativními technikami (LFQ, SILAC, TMT) pro studium dynamiky virových a hostitelských interakcí.
• Imunopeptidomika (MHC- imunoprecipitace, LC-MS/MS, databázové vyhledávání, PROSIT) pro identifikaci virových epitopů.

Hlavní výsledky a diskuse

• Native MS odhalila heterogenitu a stoichiometrii HBV a Norwalk virů, umožnila izolaci a fragmentaci kapsidových částic až 4 MDa.
• Glykoproteomické studie SARS-CoV-2 S proteinu prokázaly podobné glykanové vzorce jako u SARS-CoV-1 a odlišnosti od HIV-1 Env proteinu.
• HDX-MS mapovalo dynamiku kapsid a virových endonukleáz (CCHFV), odhalilo oblasti zúčastněné na vazbě a zrání.
• XL-MS identifikovalo hostitelské proteiny navázané na vakcinační virus (AXL, M6PR aj.) a topologii interakcí u HCMV, Zika a polerovirů.
• AP-MS s TMT kvantifikací sledovalo expresi 1 184 membránových proteinů během HCMV infekce a odhalilo časově řízenou remodelaci povrchových proteinů.
• Imunopeptidomika, doplněná PROSIT predikcí, rozšířila spektrum MHC I-ligandů a zlepšila detekci virových epitopů i peptidů s PTM.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá detekce a charakterizace nových virů včetně glykanového štítu, cílená konstrukce vakcinačních antigenů.
• Mapování vazebných domén, návrh neutralizujících protilátek a inhibitorů enteráz.
• Kvantifikace a sledování změn virové a hostitelské proteosféry v různých fázích infekce.
• Podpora imunoterapie a designu vakcín skrze detailní poznatky o prezentovaných epitopových sekvencích.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrativní strukturní biologie: kombinace MS s cryo-EM a rentgenovou krystalografií pro vyšší rozlišení komplexů.
• Další rozvoj strojového učení a AI-prediktorů (PROSIT) pro předpověď spekter netypických peptidů a PTM.
• Vyšší multiplexace v kvantitativních přístupech (TMT 16plex, DIA-MS) pro detailní časové studie infekcí.
• Širokoplošné viromické a immunopeptidomické studie pro předpověď a prevenci budoucích pandemií.

Závěr

MS-based metody poskytují komplexní pohled na strukturu, dynamiku a interakce virových proteinů a hostitelských systémů. Jejich rychlý vývoj a integrace s dalšími technikami otevírá cestu k efektivním diagnostickým nástrojům, novým terapeutikům i cíleným vakcínám.

Reference

1. Vankadari N., Wilce J.A. Emergent glycan shield of SARS-CoV-2 spike. Emerg Microbes Infect. 2020.
2. Uetrecht C. et al. High-resolution MS of viral assemblies. Proc Natl Acad Sci USA. 2008.
3. Watanabe Y. et al. Site-specific glycan analysis of SARS-CoV-2 spike. Science. 2020.
4. Holmes L. et al. Integrative MS characterization of CCHFV endonuclease. J Biol Chem. 2018.
5. Weekes M.P. et al. Quantitative temporal viromics of HCMV. Cell. 2014.
6. Coyaud E. et al. Global Zika virus interactome. Mol Cell Proteomics. 2018.
7. Gessulat S. et al. Prosit: deep learning for peptide MS spectra. Nat Methods. 2019.
8. Marcandalli J. et al. Designed nanoparticle RSV vaccine. Cell. 2019.