Укрощение «осьминога»: как устроена машина репликации вируса Ласса
Вирус Ласса, эндемичный для стран Западной Африки, передается человеку через пищу или предметы домашнего обихода, загрязненные мочой или фекалиями крыс Mastomys. Хотя многие инфицированные не имеют симптомов, в одном из пяти случаев развивается тяжелая геморрагическая болезнь, поражающая жизненно важные органы, такие как печень, селезенка и почки.
Всемирная организация здравоохранения (WHO) считает лихорадку Ласса значительной угрозой для общественного здравоохранения с высоким эпидемическим потенциалом и отсутствием эффективных мер противодействия. Вакцины от нее нет, а единственный препарат — рибавирин, широкоспектральный противовирусный препарат с ограниченной эффективностью.
Несмотря на работу над вакциной, требуется эффективное противовирусное средство для снижения числа тяжелых случаев и смертей. Здесь на помощь приходит структурная биология.
Объединение экспертизы
Чтобы понять сложный механизм вирусной репликации, структурные биологи фокусируются на ключевом компоненте — вирусной полимеразе. В инфицированной клетке этот фермент копирует генетическую информацию вируса. Копии генома затем упаковываются в новые вирионы, которые покидают клетку и могут заразить нового хозяина. Определение структуры полимеразы помогает понять, как вирус реплицируется, что дает важную информацию для разработки лекарств, способных остановить инфекцию.
Группа Стивена Кьюсака, главы EMBL в Гренобле, изучает полимеразу нескольких патогенных для человека вирусов, особенно вируса гриппа. Поскольку вирусы гриппа и Ласса относятся к одному семейству — сегментированные негативно-цепные РНК-вирусы — группа Кьюсака несколько лет назад начала сотрудничество по вирусу Ласса с Марией Розенталь и Штефаном Гюнтером из Института тропической медицины Бернхарда Нохта (BNITM) в Гамбурге.
«Стивен Кьюсак был на переднем крае исследований гриппа и опережал область в отношении буньявирусов и аренавирусов», — сказал Гюнтер. — «Мы подумали, что это отличный синергизм, потому что у него уже было много технологических знаний, которые мы могли перенести на полимеразу Ласса».
Полимераза Ласса имеет особенности, осложняющие процесс определения ее структуры, которую Розенталь пыталась получить в течение нескольких лет. «После долгих испытаний других систем я поехала в Гренобль, чтобы протестировать систему, разработанную Имре Бергером и примененную группой Кьюсака для гриппа. Мы получили очень хорошую экспрессию белка», — сказала Розенталь.
Полимераза также имеет своеобразную архитектуру с ядром и гибкими внешними компонентами. «Мы называем полимеразу вируса Ласса "осьминогом", потому что у него есть "щупальца", которые плавают вокруг, что очень затрудняет его фиксацию в одном положении», — сказал Томас Коуба, постдок в группе Кьюсака.
Макромолекулярная кристаллография — метод визуализации, обычно используемый в структурной биологии — не подходила для наблюдения за полимеразой Ласса, потому что белок двигался слишком сильно, чтобы зафиксировать все «щупальца». Крио-электронная микроскопия (cryo-EM) предложила решение, поскольку позволяет делать снимки белка в различных функциональных состояниях.
«Мы применили к Ласса методы, которые Коуба и Джоанна Вандзик разработали для визуализации полимеразы гриппа в действии», — объяснил Кьюсак. — «Мы использовали установки cryo-EM как в Гренобле, так и в Центре структурной системной биологии (CSSB) в Университете Гамбурга».
Многообещающие структуры
Это сотрудничество исследователей из EMBL Гренобль, BNITM и лаборатории Кая Грюневальда в CSSB привело к публикации статьи в Nature Communications. В ней подробно описаны девять структур вирусной полимеразы Ласса в различных функциональных конфигурациях.
«Когда вы наблюдаете за этим "осьминогом", вы также хотите увидеть, как он себя ведет, как двигает щупальцами, чтобы поесть или что-то поймать», — объяснил Коуба, один из трех основных авторов статьи.
«Сила cryo-EM в том, что вы делаете миллионы снимков белка. Затем вы можете отсортировать их по нескольким коробкам: одна коробка с поднятым щупальцем, а другая — с опущенным», — добавила Розенталь. — «В итоге у вас есть более четкие изображения щупалец осьминога в различных положениях, и вы можете их смоделировать».
Эти исследования дают важное представление о вирусе Ласса, у которого всего четыре различных вирусных белка — очень мало по сравнению с другими вирусами, такими как герпес или SARS-CoV-2, которые имеют десятки компонентов. Белки компенсируют малое количество, выполняя множество функций, как швейцарский армейский нож. Исследователи смогли, например, визуализировать активность полимеразы и предложить, как блокировать вирусную репликацию.
Единое здоровье: готовность
Сотрудничество также исследует другие сегментированные негативно-цепные РНК-вирусы из списка приоритетных WHO. Это включает патогены, вызывающие определенные трансмиссивные вирусные заболевания, географическое распространение которых может быть затронуто изменением климата.
Распространяясь в основном в тропических районах, эти вирусы расширяют свой ареал. Это уже происходит с клещевым вирусом геморрагической лихорадки Крым-Конго, который распространился в Южную Европу, или комариной лихорадкой долины Рифт, распространение которой ожидается.
Хотя эти вирусы значительно различаются во многих отношениях, их полимеразы тесно связаны, и выявление сходств между ними может помочь разработать широкоспектральный противовирусный препарат для борьбы со всеми ними.
«Структурная биология важна для понимания того, на что мы на самом деле смотрим», — сказала Розенталь. — «Как можно выиграть бой, если ты не знаешь, с кем сражаешься? Если мы знаем, как работают эти вирусы, то у нас появляется больше идей, как с ними бороться».