Вирусы бывают разных форм и размеров и используют разные механизмы атаки, чтобы проникнуть в организм. Но у всех вирусов есть нечто общее: они могут нанести вред, только реплицируясь внутри клеток другого организма — своего хозяина. Команда американских учёных попыталась визуально смоделировать и с математической точностью выяснить все аспекты стратегии вирусной атаки, в том числе и то, как вирусы вторгаются в клетки-хозяева, производящие белки. Их работа может улучшить представление обо всех видах вирусных заболеваний и облегчить медикам их прогнозирование и борьбу с ними.
Лаборатории профессоров кафедры биохимии и молекулярной биологии Тима Стасевича (Tim Stasevich) и кафедры химико-биологической инженерии Брайана Мански (Brian Munsky) Университета штата Колорадо (Colorado State University, CSU) уже несколько лет изучают, как вирусы заставляют клетки хозяина воспроизводить их. В новой работе исследователи впервые продемонстрировали важный механизм атаки вируса на хозяина, на уровне одной молекулы в живых клетках, и воспроизвели это поведение в вычислительных моделях. Результаты экспериментов и модели, опубликованные в журнале Nature Structural and Molecular Biology, в беспрецедентных подробностях показывают, как вирусы инициируют трансляцию генетического материала в белки.
Захват хозяина
Поскольку вирусы не могут реплицироваться самостоятельно, они захватывают рибосомы хозяина, которые необходимы для получения белков из генетического материала, содержащегося в РНК. Многие вирусные геномы содержат специальные структуры РНК, участки внутренней посадки рибосомы, или IRES, которые захватывают рибосомы хозяина, заставляя их производить белки вируса.
Исследователи CSU изобрели биосенсор, который может определить, когда рибосома клетки производит свои белки, а когда — вирусные. Сенсор светится зелёным, когда клетка «здорова», и синим, когда она производит белок вируса. Такая конструкция позволяет учёным различать нормальные процессы хозяина и вирусные процессы в режиме реального времени.
Сенсор сочетает в себе соответствующие частицы вируса (но не весь вирус), которые взаимодействуют с рибосомами хозяина и «крадут» их, а также два отдельных белковых тега, которые светятся в момент трансляции РНК. Первая авторка исследования, аспирантка Аманда Кох (Amanda Koch) разрабатывала сенсор больше года с целью изучения трансляций РНК хозяина и РНК вируса одновременно.
Луис Агилера (Luis Aguilera), аспирант лаборатории Мански, построил подробную вычислительную модель, описывающую запечатлённое видеомикроскопией, снятой Кох. Анализируя данные Кох через линзу десятков гипотез и миллионов возможных комбинаций, Агилера открыл сложные биохимические механизмы, которые биохимики не могли непосредственно видеть. Его модели показали, что как здоровая человеческая РНК, так и вирусная РНК колеблются между состояниями, когда белки активно экспрессируются, и состояниями, когда белки «молчат».
Клеточный стресс
Помимо изучения вирусной трансляции в нормальных клетках, биосенсор Кох позволяет исследователям визуализировать эффекты различных типов стресса, которым подвергаются клетки при атаке вируса, а также то, как, где и когда вирусная трансляция усиливается или ослабевает. Интеграция данных микроскопии Кох и вычислительных моделей Агилеры показала, что связь между нормальной и IRES-опосредованной трансляцией во многом односторонняя — в здоровых клетках доминирует нормальная трансляция, а в клетках, находящихся в состоянии стресса, доминирует IRES-трансляция.
Команды Стасевича и Мански предполагают, что сочетание их уникальных биохимических сенсоров и детальных вычислительных анализов может стать мощным инструментом понимания, прогнозирования и контроля того, как будущие лекарства могут работать, чтобы тормозить вирусную трансляцию, не влияя на трансляцию хозяина.
Будущие применения к КОВИД-19
Исследователи смотрят в будущее: они нацелились на COVID-19, хотя SARS-CoV-2 и не содержит IRES.
«Наш биосенсор модульный и может легко включить в себя части SARS-CoV-2, чтобы исследовать, как он уникальным образом захватывает рибосомы хозяев во время заражения. — говорит Кох. — Мы можем подробней во всех нюансах рассмотреть динамику того, как вирусы проникают в организмы хозяев, чтобы заразить как можно больше клеток и сделать нас больными».
