Структура белка показывает, как вирусы захватывают клетки
Исследователи из Института Солка и Гарвардской медицинской школы с помощью передовой технологии визуализации определили структуру белкового комплекса, который позволяет вирусам, подобным вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ), устанавливать постоянные инфекции в своих хозяевах.
Вопреки предыдущим предположениям, вновь детализированная структура вирусного белкового комплекса показывает, что этот тип молекулярной архитектуры различается у ретровирусов. Эта информация помогает понять, как ретровирусы встраивают свою геномную информацию в клетки человека, и может иметь значение не только для лечения таких заболеваний, как ВИЧ, но и для улучшения методов генной терапии по доставке новой ДНК пациентам с генетическими мутациями.
«Детали того, как интегрируются ретровирусы, различаются гораздо сильнее, чем считалось ранее, и приводят к совершенно разным моделям инфекции», — говорит Дмитрий Люмкис, сотрудник Института Солка и соавтор новой статьи, опубликованной в Nature 18 февраля 2016 года.
Ретровирус встраивает свою генетическую информацию в геном хозяина, по сути превращая клетки хозяина в фабрики по производству вирусов. В случае известного ретровируса ВИЧ эти вирусные гены интегрируются в иммунные клетки человека, в конечном итоге убивая их. Загадкой, отчасти вызванной отсутствием знаний о структуре белкового комплекса, долгое время было то, что определяет, куда встраивается вирусная ДНК в геноме человека.
Белковый комплекс, называемый интасомой, отвечает за необратимое встраивание вирусной ДНК в ДНК человека — жизненно важный шаг, позволяющий ретровирусам вызывать заболевание. Поскольку интасому самого ВИЧ сложно изучать, большая часть знаний об интасомах основана на работе с другим ретровирусом — прототипным пенным вирусом (prototype foamy virus, PFV). В свете проблем, связанных с образцами интасом ВИЧ, Люмкис и Энгельман вместе со своим коллегой Питером Черепановым из Института Фрэнсиса Крика решили определить структуру интасомы вируса опухоли молочной железы мыши (mouse mammary tumor virus, MMTV), который в некоторых отношениях более близок к ВИЧ, чем PFV.
«Структура интасомы MMTV определяет неожиданную новую парадигму структурной основы интеграции ретровирусной ДНК», — говорит соавтор Алан Энгельман, профессор медицины в Институте рака Дана-Фарбер и Гарвардской медицинской школе.
Для определения молекулярной структуры MMTV команда использовала новейшую технику — криоэлектронную микроскопию (cryoEM). Этот подход имеет несколько преимуществ перед традиционными методами визуализации. Например, исследователям не нужно заставлять белки кристаллизоваться для их визуализации — это процесс с непредсказуемым результатом, необходимый для более распространённой техники рентгеновской кристаллографии. В cryoEM белки напрямую замораживаются в жидком растворе. Затем, измеряя, как пучки электронов отклоняются от замороженных образцов, учёные могут определить структуру белков.
Люмкис использовал эту передовую технологию, чтобы детально изучить структуру интасом MMTV, связанных с цепями вирусной ДНК (так структура выглядит при вторжении в клетку хозяина). Команда обнаружила, что в то время как комплекс PFV состоит из четырёх белковых компонентов, называемых интегразы, связанных с двумя цепями вирусной ДНК, сборка MMTV имеет восемь молекул интегразы на два фрагмента вирусной ДНК.
Это ключевое структурное различие, по словам Люмкиса, означает, что комплексы по-разному взаимодействуют с ДНК хозяина, когда они готовы встроить вирусную ДНК в геном. PFV предпочитает участки в геноме хозяина, которые сильно изогнуты, в то время как MMTV выбирает прямые участки ДНК. Предпочтение ВИЧ остаётся загадкой, но новые наблюдения предоставляют неожиданную молекулярную основу для интерпретации прошлых и будущих данных о ВИЧ и других ретровирусах.
Команды Люмкиса и Энгельмана сейчас работают над пониманием последовательности событий, через которые проходит комплекс интасомы MMTV на этапах вирусной интеграции: от связывания вирусной ДНК до захвата ДНК хозяина и катализа встраивания вирусной ДНК в геном хозяина. Люмкис также планирует применять методы cryoEM для изучения самого молекулярного комплекса интасомы ВИЧ. «Технологическая инфраструктура создана, поэтому теперь, я думаю, мы можем взяться за эти сложные и плохо поддающиеся изучению образцы с помощью cryoEM», — добавляет Люмкис.