Come il virus influenzale dirotta una cellula umana dall'interno / How the Flu Virus Hijacks a Human Cell From the Inside
Come il virus influenzale dirotta una cellula umana dall'interno / How the Flu Virus Hijacks a Human Cell From the Inside
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Sconfiggere un nemico invasore richiede di conoscere la sua precisa strategia di battaglia prima che lanci un attacco.
Per comprendere come questo concetto si applichi alle infezioni virali, un gruppo di ricercatori del Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare (EMBL) di Amburgo ha monitorato in tempo reale le interazioni tra un virus influenzale ed una cellula umana.
La loro nuova mappa cattura migliaia di contatti fisici, rivelando, per la prima volta, come il virus disarma sistematicamente le difese delle cellule ospiti.
Come un virus dirotta la cellula umana dall'interno
Ogni anno, i ceppi stagionali dell'influenza A causano fino a 650.000 decessi e 3-5 milioni di casi di malattia grave in tutto il mondo. Questo virus è stato la causa di pandemie devastanti, tra cui l'influenza spagnola del 1918.
Quando il virus penetra in una cellula umana, rilascia il suo materiale genetico per diffondere proteine virali e dirottare i meccanismi interni dell'ospite, avvalendosi di una complessa rete di interazioni proteiche.
Per arrestare questo processo, gli scienziati devono osservare esattamente come interagiscono queste proteine; tuttavia, i metodi tradizionali si rivelano inadeguati. Le tecniche più datate richiedono la rottura fisica delle cellule, il che distrugge la naturale architettura spaziale e provoca la perdita di connessioni fragili o specifiche di una determinata posizione. Questo processo può anche causare accoppiamenti proteici artificiali all'interno della provetta.
Nel nuovo studio, il gruppo si è proposto di mappare su larga scala i contatti fisici tra il virus e la cellula umana, utilizzando per la prima volta cellule viventi ed intatte. Catturando queste interazioni nel loro ambiente cellulare nativo, hanno cercato di generare informazioni strutturali e modelli predittivi che mostrino come i complessi proteici virali e umani si incastrino fisicamente tra loro.
Mappatura dei contatti diretti tra un virus e una cellula umana
Il gruppo ha mappato le interazioni utilizzando un metodo chiamato profilazione dell'interattoma strutturale ospite-virus, intrappolando i contatti proteici entro un vincolo di distanza di 40 Å.
"È stato allora che abbiamo appreso che i nostri collaboratori, il dottor Boris Bogdanow e il professor Fan Liu, dell'FMP di Berlino, avevano sviluppato una versione specializzata della spettrometria di massa a cross-linking (XL-MS), una tecnica consolidata per la mappatura dei contatti proteici, adattata specificamente alle cellule infettate da virus", ha affermato il coautore corrispondente, il dottor Jan Kosinski , responsabile di gruppo presso l'EMBL di Amburgo.
"XL-MS ci permette di catturare le interazioni proteina-proteina direttamente nelle cellule infette intatte, fornendoci al contempo informazioni strutturali su come avvengono queste interazioni", ha spiegato Bogdanow, responsabile di un gruppo di ricerca junior presso la Charité – Universitätsmedizin Berlin.
I dati sperimentali sono stati integrati in una versione modificata di AlphaFold.
"Il vantaggio principale dell'approccio AlphaFold modificato è che ci ha permesso di inserire direttamente i nostri dati sperimentali di cross-linking nella modellazione strutturale", ha spiegato Kosinski. "Questo indica al modello quali parti delle proteine virali e dell'ospite sono vicine tra loro all'interno delle cellule infette. Ciò si è rivelato particolarmente utile per i complessi virus-ospite, che sono spesso difficili da prevedere in modo affidabile."
La validazione cellulare ha confermato 13.588 collegamenti crociati unici, rivelando 198 coppie virus-ospite distinte.
La mappa risultante ha permesso di individuare due fasi biologiche per l'ingresso e l'attacco virale.
Innanzitutto, il gruppo ha utilizzato la mappa per tracciare la proteina virale emoagglutinina, scoprendo che il virus sfruttava sistematicamente la rete di trasporto interna della cellula umana per ripiegare e maturare la proteina vitale per l'ingresso nella cellula.
Emoagglutinina
Una proteina presente sulla superficie del virus influenzale che agisce come una chiave microscopica, consentendo al virus di agganciarsi e penetrare in una cellula umana.
La mappa ha poi rivelato che il virus era in grado di dissolvere completamente i paraspeckle nucleari, organelli coinvolti nelle risposte allo stress dell'ospite, entro quattro-otto ore dall'infezione.
"Ciò che ci ha sorpreso di più sono stati i paraspeckles", ha affermato la prima autrice, la dottoressa Iuliia Kotova, ricercatrice post-dottorato presso l'ETH di Zurigo. "Osservare la dissoluzione di questi minuscoli organelli nel nucleo, in modo coerente in ogni linea cellulare ed in ogni ceppo influenzale che abbiamo testato, ci ha fatto capire che non si tratta di un effetto collaterale dell'infezione, ma potrebbe essere una strategia".
Questo metodo di distruzione si basava su un attacco a tre punte: le proteine virali si legavano ai bersagli cellulari, mentre gli enzimi virali degradavano l'RNA dell'ospite e bloccavano l'espressione genica.
"Potrebbe esserci anche un secondo vantaggio per il virus: alcune evidenze suggeriscono che i paraspeckle contribuiscono alle risposte allo stress cellulare ed alla regolazione dei geni antivirali, quindi interromperli potrebbe anche indebolire parte della risposta difensiva della cellula", ha aggiunto Kosinski.
Distruggendo questi compartimenti, il virus libera le proteine cellulari umane intrappolate e le riutilizza per accelerare la propria replicazione.
Trattamenti futuri per le infezioni virali
Lo studio offre un quadro di riferimento versatile per studiare come gli agenti patogeni interagiscono con gli organismi ospiti.
"Il nostro lavoro offre un nuovo modo per studiare le interazioni tra influenza ed ospite nel loro contesto naturale e con una visione strutturale", ha affermato Kosinski. "I risultati attuali rappresentano un'istantanea di un momento preciso durante l'infezione ed aprono la strada allo studio delle interazioni tra influenza ed ospite lungo l'intero ciclo infettivo."
"Sebbene i fattori ed i meccanismi dell'ospite differiscano spesso da virus a virus, riteniamo che il nostro approccio generale, che combina il cross-linking in situ, la modellazione strutturale ed il follow-up mirato della biologia cellulare per mappare le interazioni native virus-ospite in fasi specifiche dell'infezione, rimanga ampiamente applicabile", ha aggiunto Kosinski.
Definendo i punti fisici esatti in cui un virus si attacca ad una cellula umana, il set di dati fornisce bersagli per la progettazione di nuovi farmaci antivirali e vaccini.
Tuttavia, la finestra sperimentale si è concentrata sugli eventi di infezione in fase avanzata, tra le 5 e le 14 ore, tralasciando le dinamiche iniziali come l'attività di replicazione. Alcune reti cellulari catturate hanno inoltre mostrato un'elevata ridondanza, il che significa che il blocco di un singolo gene non sempre arrestava il virus.
Le ricerche future dovrebbero mirare ad individuare le fasi precoci dell'infezione ed ad analizzare una vasta gamma di virus.
"Sebbene questo studio si sia concentrato su un ceppo adattato al laboratorio, esso pone le basi per applicare la metodologia a virus potenzialmente pandemici, come l'H5N1, e per scoprire le reti di interazione che ne supportano la moltiplicazione nelle cellule umane", ha aggiunto Bogdanow.
ENGLISH
A live-cell interaction map revealed how influenza dismantles host defenses and redirects cellular machinery.
Defeating an invading enemy requires knowing their exact battle strategy before they launch an attack.
To understand how this concept applies to viral infections, a group of researchers at the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) Hamburg tracked interactions between a flu virus and a human cell in real time.
Their new map captures thousands of physical contacts, revealing, for the first time, how the virus systematically disarms host-cell defenses.
How a virus hijacks the human cell from within
Every year, influenza A seasonal strains cause up to 650,000 deaths and 3–5 million severe illnesses worldwide. This virus has driven devastating pandemics, including the 1918 Spanish Flu.
When the virus enters a human cell, it releases its genetic material to spread viral proteins and hijack the host's internal machinery, relying on a web of complex protein interactions.
To stop this process, scientists need to see exactly how these proteins interact; however, traditional methods fall short. Older techniques require physically breaking the cells open, which destroys the natural spatial architecture and results in the loss of fragile or location-specific connections. This process can also cause artificial protein pairings inside the test tube.
In the new study, the team aimed to map the physical contacts between the virus and the human cell at scale, using intact, living cells for the first time. By capturing these interactions in their native cellular environment, they attempted to generate structural insights and predictive models that show how viral and human protein complexes physically fit together.
Mapping the direct contacts between a virus and a human cell
The team mapped the interactions using a method called structural host-virus interactome profiling, trapping protein contacts within a 40 Å distance constraint.
“This is when we learned that our collaborators—Dr. Boris Bogdanow and Prof. Fan Liu—at FMP Berlin had developed a specialized version of cross-linking mass spectrometry (XL-MS), a long-established technique for mapping protein contacts, tailored specifically to virus-infected cells,” said co-corresponding author Dr. Jan Kosinski, a group leader at EMBL Hamburg.
“XL-MS allows us to capture protein-protein interactions directly in infected intact cells, while also providing structural information about how these interactions are happening,” explained Bogdanow, a junior research group leader at Charité – Universitätsmedizin Berlin.
The experimental data was integrated into a modified version of AlphaFold.
“The key advantage of the modified AlphaFold approach is that it allowed us to feed our experimental cross-linking data directly into the structural modeling,” explained Kosinski. “This tells the model which parts of the viral and host proteins are close to each other inside infected cells. This was especially useful for virus-host complexes, which are often difficult to predict reliably.”
Cellular validation confirmed 13,588 unique cross-links, revealing 198 distinct viral-host pairs.
The resulting map led to two biological steps for viral entry and attack.
First, the team used the map to trace the viral protein hemagglutinin, finding that the virus systematically exploited the human cell’s internal transport network to fold and mature the vital entry protein.
Hemagglutinin
A protein found on the surface of the influenza virus that acts like a microscopic key, allowing the virus to latch onto and enter a human cell.
The map then revealed the virus was able to completely dissolve nuclear paraspeckles—organelles used in host stress responses—within four to eight hours of infection.
“What surprised us most was the paraspeckles,” said first author Dr. Iuliia Kotova, a postdoctoral researcher at ETH Zürich. “Watching these tiny organelles in the nucleus dissolve, consistently across every cell line and every flu strain we tested, told us this isn't a side effect of infection—it might be a strategy.”
This method of destruction relied on a three-pronged attack: viral proteins bound to cellular targets while viral enzymes degraded host RNA and blocked gene expression.
“There may also be a second benefit for the virus: some evidence suggests paraspeckles contribute to cellular stress responses and antiviral gene regulation, so disrupting them could also weaken parts of the cell's defense response,” added Kosinski.
By breaking down these compartments, the virus frees trapped human cell proteins and repurposes them to accelerate its own replication.
Future treatments for viral infections
The study offers a versatile framework to study how pathogens interact with host organisms.
“Our work provides a new way to study flu-host interactions in their native context and with structural insight,” said Kosinski. “The current results are a snapshot of a moment during infection, and it opens the door to studying flu-host interactions across the entire infection cycle.”
“While the exact host factors and mechanisms often differ from virus to virus, we think our overall approach—combining in-cell cross-linking, structural modeling, and targeted cell-biology follow-up to map native virus-host interactions at specific stages of infection—remains broadly applicable,” Kosinski added.
By defining the exact physical points where a virus attaches to a human cell, the dataset provides targets for designing new antiviral drugs and vaccines.
However, the experimental window focused on late-stage infection events between 5–14 hours, missing early-stage dynamics such as initial replication activity. Some captured cellular networks also showed high redundancy, meaning that blocking a single gene did not always stop the virus.
Future research should look to capture earlier stages of infection and across a diverse range of viruses.
“Although this study has focused on a lab-adapted strain, this study lays the groundwork to apply the methodology to viruses of potential pandemic relevance, such as H5N1, and for uncovering the interaction networks that support their multiplication in human cells,” Bogdanow added.
Da:
https://www.technologynetworks.com/proteomics/news/how-the-flu-virus-hijacks-a-human-cell-from-the-inside-414884
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