COVID ускользает. Рентгеновское излучение показывает, как вирус SARS CoV-2 укрывается от иммунной системы

В новом исследовании изучается NendoU, вирусный белок, ответственный за тактику "уклонения" вируса от иммунитета. Структура этого важнейшего белка подробно исследуется с помощью метода, известного как серийная фемтосекундная рентгеновская кристаллография, пишет EurekAlert.

В Фокус.Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и увлекательные новости из мира науки!

Впервые белок NendoU визуализируется с высоким разрешением 2,5 ангстрем при комнатной температуре. Полученная структура раскрывает основные детали гибкости, динамики и других характеристик белка с беспрецедентной точностью. Такая структурная информация имеет решающее значение при разработке новых лекарств и может помочь в разработке терапевтических средств для борьбы с SARS CoV-2.

"Наше исследование сосредоточено на том, как COVID-19 прячется от иммунной системы с помощью белка NendoU" — говорит Ребекка Джерниган, первый автор исследования и научный сотрудник Центра прикладных структурных исследований биодизайна в Университете штата Аризона. "Поскольку мы лучше понимаем структуру и механику NendoU, у нас появляется лучшее представление о том, как мы можем разработать противовирусные препараты против него".

Открытие дает возможность производить лекарства, нацеленные на внешние изменения белков, подобные описанным в новом исследовании. Такие терапевтические средства были бы особенно привлекательными, поскольку они менее склонны к лекарственной толерантности.

Центр прикладных структурных исследований биодизайна добился значительных успехов в структурных исследованиях такого рода, решая множество сложных биологических структур. Центром руководит Петра Фромме, ведущий исследователь исследования.

"Эта работа настолько инновационна, что впервые показывает, что различия в гибкости белка играют важную роль в функциональном механизме иммунной системы, которая затем может реагировать и препятствовать серьезным инфекциям" — говорит Фромм.

Вирусная интрига

Вирусы развили достаточно сложные стратегии, дабы легко "ускользать" от защитных механизмов организма. Исследования указывают на ряд тактик, используемых наиболее заразными коронавирусами, группой патогенов, в которую входят те, которые вызывают COVID-19 (SARS CoV-2), тяжелый острый респираторный синдром (SARS) и ближневосточный респираторный синдром (MERS).

Новое исследование проливает свет на то, как белок NendoU помогает SARS CoV-2 скрываться от иммунной системы на виду. Как только вирус связывается с рецептором на поверхности клетки, он вставляет свой генетический материал в клетку, заставляя клетку производить несколько копий вирусного генома, состоящего либо из ДНК, либо, в случае коронавирусов, из РНК.

Когда такие вирусы, как SARS CoV-2, размножаются внутри клеток, их растущая последовательность РНК образует на конце хвост, известный как поли-U хвост. Этот хвост уникален для РНК-вирусов.

Клетки человека снабжены сенсорами, настроенными на обнаружение вторгающихся РНК-вирусов, потому что поли-U-хвост выдает их принадлежность к чужеродным захватчикам, позволяя иммунной системе нацеливаться на них. Исследования показали, что SARS CoV-2 использует свой белок NendoU для связывания, а затем отрезает хвост поли-U. Когда NendoU пережевывает поли-U хвост, это делает вирус менее заметным для иммунной системы.

Мастер маскировки

Чтобы помешать NendoU скрывать вирус, исследователям нужны изображения трехмерной структуры белка с высоким разрешением. До сих пор объемные структуры белка NendoU были получены только в криогенных условиях с использованием метода, известного как крио-ЭМ, в котором исследуемый образец мгновенно замораживается и визуализируется с помощью электронной микроскопии или рентгеновской кристаллографии больших замороженных кристаллов. Это дало важные сведения о природе NendoU. Но, к сожалению, требуется дополнительная информация, прежде чем можно будет преступать к разработке лекарства для подавления NendoU и воздействия на вирус SARS CoV-2 иммунной системой.

Чтобы достичь этого, исследователям необходимо определить структуру настолько подробно, чтобы они знали, где расположен каждый атом в белке. А в идеале структура должна быть определена в условиях, близких к естественным условиям при комнатной температуре.

Но большинство современных методов сильно повреждают сам белок, поэтому сбор данных, в большинстве случаев, проводится в криогенных условиях, когда любые микроскопические движения заморожены. Чтобы получить такое разрешение атомного масштаба при комнатной температуре, требовалась специализированная рентгеновская установка, известная как XFEL (рентгеновский лазер на свободных электронах).

В текущем исследовании ученые получили первые снимки на пути к структуре атомного масштаба. Этот метод, известный как серийная фемтосекундная кристаллография, включает в себя кристаллизацию образца белка в виде миллиардов маленьких микрокристаллов, а затем доставку их при комнатной температуре в струе чрезвычайно коротких вспышек мощного рентгеновского излучения, производящих серию из десятков тысяч дифракционные картины, каждая от небольшого микрокристалла.

Ультракороткие импульсы рентгеновского излучения, длящиеся всего несколько десятков фемтосекунд, опережают повреждение кристаллов рентгеновским излучением, что позволяет собирать данные при комнатной температуре в условиях, близких к физиологическим. Чтобы дать представление о чрезвычайно сжатой временной шкале этих рентгеновских всплесков, фемтосекунда равна одной квадриллионной доли секунды. Компьютеры используются для объединения больших партий этих рентгеновских снимков, что позволяет исследователям создавать подробные трехмерные структуры белка и изучать его динамическое поведение.

Исследователи использовали фемтосекундную рентгеновскую кристаллографию, чтобы раскрыть структуру белка NendoU, когда он прикреплялся к своему субстрату. В живых клетках это был бы поли-U хвост цепи РНК, но для исследования в месте связывания РНК была обнаружена молекула меньшего размера, известная как цитрат.

В центре внимания NendoU

Одно из преимуществ структурных исследований с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах заключается в том, что биологические явления можно изучать близко к их естественному физиологическому состоянию. Текущие результаты показывают, что структура белка NendoU при комнатной температуре более гибкая по сравнению с криогенной структурой.

"Как и в предыдущих испытаниях, мы также видели, что NendoU образует гексамер (шесть идентичных белков NendoU, связанных вместе)", — говорит Дебра Хансен, соавтор статьи и доцент центра. Кроме того, исследователи обнаружили, что одна половина белка обладала большей гибкостью, чем другая половина, которая была более жесткой.

Структурные детали, обнаруженные светом XFEL, показывают, что NendoU действует через двухэтапный процесс. Во-первых, более жесткая половина белка связывается с активным центром субстрата (в данном случае с молекулой цитрата). Гибкая половина гексамера также связывает цитрат (или РНК), но менее прочно. Как только жесткая половина выполняет задачу расщепления нити РНК, она освобождает эту цепочку. Затем эта жесткая половина становится гибкой, а гибкая половина переходит в жесткое состояние, и цикл повторяется. Это похожее на ножницы движение двух основных компонентов NendoU помогает стереть контрольный сигнал о присутствии вируса в клетке, отключая иммунный ответ.

Снимки XFEL этих движений представляют собой подробную карту для возможного дизайна лекарств. Будущие структуры, использующие условия комнатной температуры, будут отображать эти различные движения, и каждая карта позволит наиболее точно рассчитать вычислительные средства для борьбы с COVID.

Ранее Фокус рассказывал о новом штамме короновируса. По мнению экспертов, новый подвид болезни может спровоцировать волну заболеваемости в мире.