Сборка вызывающего СПИД ВИЧ-1 происходит на микродоменах внутреннего слоя плазматической мембраны инфицированных клеток. Это процесс построения геометрических форм, в ходе которого из тримеров вирусного Gag-белка под управлением N-концевого матриксного домена Gag создаются гексамеры.
В течение четырёх десятилетий некоторые детали этой сборки вириона оставались неясными. В статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, доктор философии Джамиль Саад (Jamil Saad) и его коллеги впервые продемонстрировали на атомном уровне, как выглядит решётка матрикса ВИЧ-1. Показав молекулярные детали с разрешением 2,1 ангстрема, они значительно улучшили наши знания о ключевых механизмах вирусной сборки и инкорпорирования вирусом белка оболочки.
«Полученные нами результаты могут облегчить разработку новых терапевтических средств, которые ингибируют сборку ВИЧ-1, инкорпорацию оболочки и, в конечном счёте, воспроизводство вируса», — считает профессор микробиологии Университета Алабамы в Бирмингеме (University of Alabama at Birmingham) Саад.
В ходе посттрансляционной модификации Gag-белка к нему добавляется липидоподобная миристатная группа, помогающая Gag прикрепляться к плазматической мембране. Предпринятые ранее попытки выяснить, как миристоилированный матриксный домен, или myrMA, Gag формирует решётку, были неудачными.
Технологии, в которых используется низкое молекулярное разрешение, такие как криоэлектронная дифракция и криоэлектронная томография, позволили предположить, что белок myrMA организуется в виде тримеров, после чего процесс организации выходит на более высокий уровень и из тримеров образуются гексамеры. Результаты исследования Саада хорошо согласуются с результатами недавнего исследования, в котором была выдвинута гипотеза о том, что myrMA-белок претерпевает значительные структурные изменения, способствующие формированию в незрелых и зрелых вирусных частицах различных гексамерных решёток. В ходе созревания вируса, последнего этапа его репликационного цикла, внутри завершившего свою сборку вируса формируется капсидное ядро, создающее инфекционные частицы.
Белок оболочки ВИЧ-1, или Env, представляет собой трансмембранный белок, доставка которого к плазматической мембране осуществляется клеточным секреторным путём. Основная часть белка Env выступает за пределы мембраны, но хвост свисает через мембрану вовнутрь клетки. Генетические и биохимические исследования показали, что включение вирусного белка Env в вирусные частицы зависит также от взаимодействия между доменом myrMA и цитоплазматическим хвостом Env. В 2017 году лаборатория Саада с высоким разрешением выяснила структуру этого хвоста — единственную белковую структуру ВИЧ-1, которая оставалась неизвестной.
Env — ключевой инфекционный белок. Когда зрелый вирус ВИЧ-1 приближается к клетке-мишени, Env прикрепляется к белкам снаружи неинфицированной клетки, а затем белок Env, чтобы соединить вирусную мембрану с мембраной клетки-мишени, срабатывает как пружинная защёлка мышеловки.
Поскольку в системах, описанных Саадом и его коллегами из УАБ, ключевую роль в стабилизации структуры решётки myrMA играет миристиновая кислота, было очень важно, несмотря на технические трудности, использовать эту её способность создавать кристаллы myrMA. Исследователи решили данную задачу, удалив с конца состоящего из 132 аминокислот домена myrMA 20 аминокислот. Известно, что образование решётки Gag на плазматической мембране является обязательным для сборки незрелого ВИЧ-1 и инкорпорации Env.
Как сообщили Саад и его коллеги, полученная ими решётка myrMA имеет вид состоящего из тримеров гексамера. В центре этого гексамера — отверстие, которое, по-видимому, предназначено для того, чтобы размещение в нём C-концевого хвоста Env содействовало инкорпорации в вирионы. Созданные в ходе исследования кристаллы myrMA позволили наблюдать в решётке присоединённую myr-группу (миристоильную группу). Они обнаружили, что myr-группа одной субъединицы myrMA оказалась вставленной в гидрофобную полость субъединицы поперёк оси симметрии второго порядка, вводя тем самым «миристоильный обмен». Учёные сообщили и о других молекулярных взаимодействиях между тримерами, а также описали дополнительные молекулярные детали, помогающие стабилизировать гексамер, состоящий из образующих решётку тримеров.
Проведя исследования мутагенеза с использованием метода ядерного магнитного резонанса, или ЯМР, исследователи предоставили доказательства того, что замена в матриксе одной аминокислоты — лейцина-13 или лейцина-31 на глутаминовую кислоту — индуцирует в myrMA конформационное изменение, способное дестабилизировать взаимодействия тример — тример внутри решётки. Согласно генетическим исследованиям, проведённым ранее, замена лейцина-13 или лейцина-31 оказывает неблагоприятное воздействие на инкорпорацию Env.
Другим важным открытием, сделанным в ходе исследования Саада, является доказательство существования механизма переменного связывания Gag с мембраной, работа которого, как известно, опосредуется взаимодействиями домена myrMA с фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфатом, или PI(4,5)P2, — липидом, локализованным исключительно на внутренних микродоменах плазматической мембраны. Исследователи из УАБ показали, что PI(4,5)P2 способен связываться с альтернативными сайтами MA. Это согласуется с оригинальным механизмом переменного связывания МА с PI(4,5)P2 мембраны во время сборки незрелой вирусной частицы и во время её созревания.
«В заключение, — сказал Саад, — мы дали изображение решётки myrMA ВИЧ-1 на атомном уровне. Это бесценная информация структурного плана о субъединицах myrMA, тримерах, интерфейсе тример—тример, myr-обмене, влиянии MA-мутаций, делающих инкорпорацию Env дефектной, на структуру myrMA и, следовательно, на формирование решётки. Кроме того, наши данные подтвердили существование механизма переменного связывания MA — PI(4,5)P2 во время сборки и созревания вируса. Эти результаты устранили серьёзный пробел в понимании механизмов Gag-сборки на плазматической мембране и инкорпорации Env в вирусные частицы».
Подготовка материала: Александр Горлов