COVID вислизає. Рентгенівське випромінювання показує, як вірус SARS CoV-2 укривається від імунної системи

У новому дослідженні вивчається NendoU, вірусний білок, відповідальний за тактику ухилення вірусу від імунітету. Структура цього найважливішого білка докладно досліджується за допомогою методу відомого як серійна фемтосекундна рентгенівська кристалографія, пише EurekAlert.

У Фокус.Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найцікавіші новини зі світу науки!

Вперше білок NendoU візуалізується з високою роздільною здатністю 2,5 ангстрема при кімнатній температурі. Отримана структура розкриває основні деталі гнучкості, динаміки та інших характеристик білка із безпрецедентною точністю. Така структурна інформація має вирішальне значення для розробки нових ліків і може допомогти в розробці терапевтичних засобів для боротьби з SARS CoV-2.

"Наше дослідження зосереджено на тому, як COVID-19 ховається від імунної системи за допомогою білка NendoU" — говорить Ребекка Джерніган, перший автор дослідження та науковий співробітник Центру прикладних структурних досліджень біодизайну в Університеті штату Арізона. "Оскільки ми краще розуміємо структуру та механіку NendoU, у нас з'являється найкраще уявлення про те, як ми можемо розробити противірусні препарати проти нього".

Відкриття дає можливість виробляти ліки, орієнтовані на зовнішні зміни білків, подібні описаним у новому дослідженні. Такі терапевтичні засоби були б особливо привабливими, оскільки менш схильні до лікарської толерантності.

Центр прикладних структурних досліджень біодизайну досяг значних успіхів у структурних дослідженнях такого роду, вирішуючи безліч складних біологічних структур. Центром керує Петро Фромме, провідний дослідник дослідження.

"Ця робота настільки інноваційна, що вперше показує, що відмінності в гнучкості білка відіграють важливу роль у функціональному механізмі імунної системи, яка потім може реагувати та перешкоджати серйозним інфекціям", — говорить Фромм.

Вірусна інтрига

Віруси розвинули досить складні стратегії, щоб легко "вислизати" від захисних механізмів організму. Дослідження вказують на низку тактик, що використовуються найбільш заразними коронавірусами, групою патогенів, до якої входять ті, які викликають COVID-19 (SARS CoV-2), тяжкий гострий респіраторний синдром (SARS) та близькосхідний респіраторний синдром (MERS).

Нове дослідження проливає світло на те, як білок NendoU допомагає SARS CoV-2 ховатися від імунної системи на очах. Як тільки вірус зв'язується з рецептором на поверхні клітини, він вставляє свій генетичний матеріал у клітину, змушуючи клітину виробляти кілька копій вірусного геному, що складається або з ДНК, або, у разі коронавірусів, з РНК.

Коли такі віруси, як SARS CoV-2, розмножуються всередині клітин, їхня послідовність РНК утворює на кінці хвіст, відомий як полі-U хвіст. Цей хвіст є унікальним для РНК-вірусів.

Клітини людини забезпечені сенсорами, налаштованими на виявлення РНК-вірусів, що вторгаються, тому що полі-U-хвіст видає їх приналежність до чужорідних загарбників, дозволяючи імунній системі націлюватися на них. Дослідження показали, що SARS CoV-2 використовує свій білок NendoU для зв'язування, потім відрізає хвіст полі-U. Коли NendoU пережовує полі-U хвіст, це робить вірус менш помітним для імунної системи.

Майстер маскування

Щоб перешкодити NendoU приховувати вірус, дослідникам потрібні зображення тривимірної структури білка з високою роздільною здатністю. Досі об'ємні структури білка NendoU були отримані лише в кріогенних умовах з використанням методу, відомого як кріо-ЕМ, в якому досліджуваний зразок миттєво заморожується та візуалізується за допомогою електронної мікроскопії або рентгенівської кристалографії великих заморожених кристалів. Це дало важливу інформацію про природу NendoU. Але, на жаль, потрібна додаткова інформація, перш ніж можна буде починати розробку ліків для придушення NendoU та впливу на вірус SARS CoV-2 імунною системою.

Щоб цього досягти, дослідникам необхідно визначити структуру настільки докладно, щоб вони знали, де розташований кожен атом у білку. А в ідеалі структура має бути визначена в умовах, близьких до природних умов за кімнатної температури.

Але більшість сучасних методів сильно ушкоджують сам білок, тому збір даних, як правило, проводиться в кріогенних умовах, коли будь-які мікроскопічні рухи заморожені. Щоб отримати таку роздільну здатність атомного масштабу при кімнатній температурі, була потрібна спеціалізована рентгенівська установка, відома як XFEL (рентгенівський лазер на вільних електронах).

У поточному дослідженні вчені отримали перші знімки на шляху структури атомного масштабу. Цей метод, відомий як серійна фемтосекундна кристалографія, включає в себе кристалізацію зразка білка у вигляді мільярдів маленьких мікрокристалів, а потім доставку їх при кімнатній температурі в струмені надзвичайно коротких спалахів потужного рентгенівського випромінювання, що виробляють серію з десятків тисяч дифракційних картин.

Ультракороткі імпульси рентгенівського випромінювання, що тривають лише кілька десятків фемтосекунд, випереджають пошкодження кристалів рентгенівським випромінюванням, що дозволяє збирати дані за кімнатної температури в умовах, близьких до фізіологічних. Щоб дати уявлення про надзвичайно стислу тимчасову шкалу цих рентгенівських сплесків, фемтосекунда дорівнює одній квадрильйонній частині секунди. Комп'ютери використовуються для об'єднання великих партій цих рентгенівських знімків, що дозволяє дослідникам створювати докладні тривимірні структури білка і вивчати його динамічну поведінку.

Дослідники використовували фемтосекундну рентгенівську кристалографію, щоб розкрити структуру білка NendoU, коли він прикріплювався до субстрату. У живих клітинах це був би полі-U хвіст ланцюга РНК, але для дослідження у місці зв'язування РНК було виявлено молекулу меншого розміру, відому як цитрат.

У центрі уваги NendoU

Одна з переваг структурних досліджень за допомогою рентгенівського лазера на вільних електронах полягає в тому, що біологічні явища можна вивчати близько до природного фізіологічного стану. Теперішні результати показують, що структура білка NendoU при кімнатній температурі гнучкіша порівняно з кріогенною структурою.

"Як і в попередніх випробуваннях, ми також бачили, що NendoU утворює гексамер (шість ідентичних білків NendoU, пов'язаних разом)", — каже Дебра Хансен, співавтор статті та доцент центру. Крім того, дослідники виявили, що одна половина білка мала більшу гнучкість, ніж інша половина, яка була більш жорсткою.

Структурні деталі, виявлені світлом XFEL, свідчать, що NendoU діє через двоетапний процес. По-перше, більш жорстка половина білка пов'язується з активним центром субстрату (у разі з молекулою цитрату). Гнучка половина гексамеру також пов'язує цитрат (чи РНК), але менш міцно. Як тільки жорстка половина виконує завдання розщеплення нитки РНК, вона звільняє цей ланцюжок. Потім ця жорстка половина стає гнучкою, а гнучка половина перетворюється на жорсткий стан, і цикл повторюється. Це схоже на ножиці рух двох основних компонентів NendoU допомагає стерти контрольний сигнал про наявність вірусу в клітині, відключаючи імунну відповідь.

Знімки XFEL цих рухів є докладною картою для можливого дизайну ліків. Майбутні структури, що використовують умови кімнатної температури, відображатимуть ці різні рухи, і кожна карта дозволить найбільш точно розрахувати обчислювальні засоби для боротьби з COVID.

Раніше Фокус розповідав про новий штам коронавірусу. На думку експертів, новий підвид хвороби може спровокувати хвилю захворюваності у світі.