Парамиксовирусы способны спровоцировать ужасающую пандемию. Это семейство включает вирусы Нипах, кори, эпидемического паротита, болезни Ньюкасла и чумки собак.
«Среди известных нам вирусов наивысшей контагиозностью обладает вирус кори. Если человек, заболевший корью, будет кашлять в комнате, где кроме него 100 непривитых людей, около 90 из этой сотни заразятся, — отмечает доктор философии, бывший постдокторант Института иммунологии Ла-Хойи (La Jolla Institute for Immunology) (ИИЛ), а ныне доцент Университета Торонто (University of Toronto) Майкл Норрис (Michael Norris). — Вирус Нипах не такой заразный, но зато чрезвычайно смертоносный: от 40 до 90% случаев заболевания приводят к смерти».
«Только представьте, если бы вдруг появился парамиксовирус, который был бы столь же заразным, как вирус кори, и столь же смертоносным, как вирус Нипах», — добавляет Норрис.
Представить это нетрудно. И в самом деле: ещё в 2011 году вышел в прокат фильм «Заражение», где весь сюжет построен на борьбе с именно таким не существующим в реальности видом парамиксовирусов.
Теперь Норрис и международная команда сотрудников опубликовали в журнале Science Advances первый в истории вирусологии обзор ключевой стадии жизненного цикла вирусов кори и Нипах. Эту научную статью редакция журнала сочла настолько важной, что извещает о ней на журнальной обложке. Помимо описания ключевой стадии жизни вирусов кори и Нипах статья содержит информацию о методах лечения, которые следует разработать, чтобы данные вирусы не могли распространяться.
«В этой работе представлено решение давней загадки: как вирусы осуществляют свою сборку, — говорит доктор философии, профессор ИИЛ Эрика Оллманн Сафайр (Erica Ollmann Saphire), выступившая соавтором исследования вместе с доктором философии, профессором Университета Пёрдью (Purdue University) Робертом Стахелином (Robert Stahelin). — Мы знаем, что многие части вируса собираются на клеточной мембране, но мы не знали, что служит триггером этого необратимого процесса сборки».
«Наше исследование стало успешным благодаря тому, что удалось установить, откуда у парамиксовирусов взялась способность использовать для своего распространения липиды клетки-хозяина, — говорит Стахелин. — Полученные знания облегчат разработку лекарств».
Сборка парамиксовирусов
Исследователи использовали несколько методов визуализации, включая рентгеновскую кристаллографию и электронную микроскопию, чтобы запечатлеть процесс, называемый вирусной сборкой.
Во время сборки ключевые белки и генетический материал вирусов устремляются к определённым участкам на мембранах инфицированных клеток-хозяев. Собираясь, особые вирусные белки, которые называют «матриксными», образуют решётку внутри клеточной мембраны. Матриксные белки — драйверы процесса вирусной сборки. Это, говорит Норрис, «фельдмаршалы», которые собирают другие белки и командуют ими так, чтобы сформировался новый вирус. Кроме того, матриксные белки придают вирусу его форму.
По мере осуществления вирусной сборки решётка матриксных белков начинает выталкивать мембрану наружу, образуя «почку», и рекрутирует на этот участок другие вирусные белки. Получив все необходимые компоненты, почка сразу же отделяется от родительской клетки, образуя новый вирус, который затем может заразить новую клетку-хозяина.
Исследователи надеются, что им удастся, сделав процесс вирусной сборки более понятным, разработать прерывающие этот процесс методы лечения. Подход многообещающий. Уже сейчас проходит клинические испытания препарат ленакапавир, нацеленный на остановку сборки ВИЧ, и, убеждён Норрис, такую же стратегию следует использовать для борьбы с парамиксовирусами.
«Эта терапия ВИЧ является доказательством принципиальной важности использования для разработки лекарственных средств стратегии воздействия на вирусную сборку», — говорит Норрис.
То, что нужно учёным, — это всего лишь ясная научная картина процесса парамиксовирусной сборки. Задача, которая стоит перед исследователями, — увидеть матриксные белки в действии.
Обуздание вирусной сборки
Норрис и его коллеги исследовали сборку как вируса кори, так и вируса Нипах. Проведённый анализ показал, как два матриксных белка как бы сливаются в объятии, образуя двустороннюю «димерную» структуру. Исследователи продемонстрировали, что предотвращение «объятия» путём блокирования образования димера останавливает и сборку вируса — но в этом не было ничего удивительного.
Исследователям обязательно нужно было узнать, как обнаруженные ими димеры взаимодействуют с другими структурами в процессе почкования. Они показали, что димерное «объятие» сталкивается с клеточной мембраной, перемещаясь к её внутренней стороне.
В результате работы, проведённой лабораторией Стахелина в Университете Пёрдью, команда обнаружила, что матриксные белки специфически связываются с липидной молекулой мембраны клетки-хозяина, которую называют PI(4,5)P2. Это взаимодействие закрепляет матриксные белки на поверхности мембраны клетки-хозяина и обеспечивает контактные точки для вирусной сборки в определённых местах мембраны. Норрис и его коллеги подробно проследили данное взаимодействие с помощью рентгеновской кристаллографии.
Далее учёных ждал большой структурный сюрприз. Команда обнаружила, что матриксные белки вируса Нипах фактически меняют свою структуру, раскрывая липидсвязывающий карман для PI(4,5)P2.
«Это был чрезвычайно захватывающий аспект исследования», — говорит Норрис. Он подчёркивает, что липидсвязывающий карман не существовал до вирусного связывания с мембраной — и этот карман не был бы обнаружен без структуры, наблюдавшейся в данном исследовании. Открытие учёными этого кармана выявило совершенно новую цель для разработки ингибиторов процесса сборки.
Вдобавок оказалось, что PI(4,5)P2 — секретный ингредиент, запускающий процесс связывания димеров матриксных белков друг с другом, в результате которого на внутренней поверхности мембраны клетки-хозяина образуется решётка. Когда матриксные белки меняют свою структуру, чтобы открыть карман PI(4,5)P2, они, к тому же, принимают форму, способствующую сборке решётки.
А ещё это изменение структуры матриксного белка вызывает изгиб клеточной мембраны. Перед связыванием PI(4,5)P2 пространство между двумя матриксными белками в объятии имеет форму вогнутой чаши со скошенными сторонами. После связывания PI(4,5)P2 с матриксными белками эти скошенные стороны уплощаются, превращая форму чаши в форму тарелки и вынуждая мембрану выгибаться вверх. Затем лёгкий изгиб клеточной мембраны усиливается, в результате чего начинается формирование почки, из которой в конечном итоге появляется новый вирус.
Наблюдая эти структуры, учёные узнали много нового. «Мы не знали, в какой мере меняются молекулы при запуске процесса и какой вид имеет структура, возникающая при их объединении», — говорит Сафайр.
Разработка терапии широкого спектра действия
Вирус кори по-прежнему наиболее смертоносный из всех вирусов. В Индии и Бангладеш ежегодно происходят вспышки вируса Нипах. Эти вирусы не собираются исчезать, и, чтобы остановить вспышки, нужны эффективные методы лечения.
К тому же, широкомасштабная антипарамиксовирусная терапия могла бы защитить от болезней домашний скот и обеспечить продовольственную безопасность. От болезни Ньюкасла, вызываемой парамиксовирусами у домашней птицы, всё поголовье птицеводческих ферм может сгинуть ещё до появления симптомов заболевания. В 2018—2020 годах в Калифорнии вспышка болезни Ньюкасла привела к выбраковке 1,2 миллиона птиц.
Исследование Норриса и его коллег говорит о том, что у широкомасштабной антипарамиксовирусной терапии, нацеленной на предотвращение сборки вирусов нескольких видов, большое будущее. Хотя у вирусов кори и Нипах очень разные геномы, отмечает Норрис, матриксные белки этих вирусов выглядят почти идентично.
«Поскольку эти матриксные белковые структуры высококонсервативны, — говорит торонтский исследователь, — мы, по-видимому, можем, нацелившись на всего лишь один вирус, получить ингибитор, способный воздействовать на все вирусы данного семейства».
Норрис смог приступить к поиску ингибиторов матриксных белков благодаря финансированию иммунологических инноваций в рамках программы ИИЛ «Tullie and Rickey Families SPARK Award». Это финансирование позволило учёному быстро сузить список из более чем 7,4 миллиона кандидатов на роль лекарственных средств, выбрав для дальнейшего тестирования менее ста.
Теперь предстоит выработать более точные знания о молекулярных взаимодействиях, ведущих к появлению матриксной решётки, и о том, как матриксные белки, рекрутируя другие вирусные белки, взаимодействуют с ними в процессе сборки.
«Мы рассматриваем возможность использования данного исследования для разработки ингибиторов вирусной сборки широкого спектра действия», — говорит Норрис.
Подготовка материала: Александр Горлов