Проверено Эмили Хендерсон, бакалавр наук 2 ноября 2020 г.

Недавнее исследование, проведенное эстонскими учеными в Тартуском университете, объясняет, как коронавирус активируется перед атакой на клетку и что может помочь этому воспрепятствовать. Исследование, опубликованное в Scientific Reports, приближает нас на шаг ближе к пониманию того, почему распространение SARS-CoV-2 было таким быстрым и агрессивным. Изученный механизм активации вируса также является одной из потенциальных мишеней для разработки лекарств для лечения COVID-19.

Молекулярные биологи Михкель Орд и Илона Фаустова из Тартуского университета вместе с профессором Мартом Лугом сравнили механизмы проникновения в клетки SARS-CoV-2, вызывающего нынешнюю пандемию короны, с механизмами проникновения в клетки других коронавирусов (SARS-CoV-1 и MERS- CoV, вызывающий респираторный синдром на Ближнем Востоке, со вспышками в 2003 и 2012 годах соответственно). Исследование было сосредоточено на белке спайков, который формирует спайки, которые мы хорошо знаем по изображениям вируса. Спайковый белок SARS-CoV-2 состоит из двух частей (см. Рисунок 1). Кончик иглы работает как детектор, ища подходящую ячейку, к которой можно прикрепиться. В клетках обмен информацией осуществляется различными белками, которые отправляют и принимают химические сигналы. Вирусы используют эти белки для проникновения в клетки.

Один из белков, на который отвечает спайковый белок SARS-CoV-2, – это фермент фурин, который присутствует во многих клетках человеческого тела. Задача Фурина – расщеплять белки, действуя как биологические ножницы. Разные ферменты влияют на разные белки. Среди других белков фурин также расщепляет спайковый белок SARS-CoV-2, удаляя его похожий на детектор кончик. После этого оставшаяся часть белка-шипа начинает работать, сливаясь с клеточной мембраной и позволяя вирусу проникнуть в клетку.

Многие вирусы используют аналогичную логику. У них есть рецепторный домен и связывающий домен, но используются разные ферменты хозяина. В некоторой степени это также влияет на то, как вирус функционирует в организме. В разных тканях экспрессируются разные ферменты. Фурин экспрессируется по всему человеческому телу, поэтому диапазон клеток, в которые вирус может проникнуть, огромен. Можно предположить, что именно поэтому вирус особенно агрессивен ».

Михкель Орд, докторант кафедры биомедицинских технологий Тартуского университета (UT)

От деления клеток к приручению вируса

В своей повседневной работе Михкель Орд и старший научный сотрудник отдела молекулярной биологии UT Илона Фаустова изучают, что и как влияет на деление клеток. Они уделяют особое внимание фосфорилированию – химической реакции, в которой фосфорильная группа присоединяется к белку. В результате может измениться начальная задача или активность белков, что позволяет контролировать внутриклеточные процессы в определенных условиях.

То, как ферменты обрабатывают белки, зависит от структуры или коротких линейных мотивов аминокислот в белке. Белки состоят из 20 различных аминокислот, и короткие линейные фрагменты аминокислот могут кодировать важную биологическую информацию. Анализируя последовательность белка-спайка нового коронавируса, исследователи из Тарту вскоре заметили, что в том критическом месте, где предполагается, что белок-спайк должен быть разрезан на две части, могут быть три мотива с другой задачей. Когда распространение коронавируса переросло в пандемию, Орд и Фаустова решили изучить, действуют ли эти предсказанные мотивы в реальной жизни и как они могут повлиять на жизненный цикл вируса.

«Мы заказали последовательности ДНК коронавируса, синтезировали и отделили белки от клеток, создали мутации, чтобы обнаружить чувствительные к фурину участки и понять, как на них влияет фосфорилирование. В спайковом белке содержится более тысячи аминокислот, но для этого процесса важна только одна крошечная часть. Мы уделили внимание этому сайту и начали изучать его более подробно », – пояснил Örd.

Анализ показал, что в случае одного мотива сайт расщепления фурином очень специфично кодируется в новом коронавирусе. «Что было удивительно, так это то, насколько эффективно фурин расщеплял мотив белка шипа SARS-CoV-2. Для сравнения мы проанализировали мотивы в вирусах, вызывающих MERS и SARS, которые лишь немного отличаются: фурин не смог их расщепить. сайт расщепления был окружен двумя другими мотивами, фосфорилирование которых полностью ингибировало расщепление фурином белка-шипа. Эти данные предоставляют новую информацию о том, какие процессы могут повлиять на жизненный цикл вируса и почему новый вирус оказался более успешным, чем предыдущий. два ", – пояснила Фаустова.

«В своих исследованиях мы всегда руководствовались идеей, что чем лучше мы понимаем различные молекулярные механизмы, тем больше у нас возможностей намеренно воздействовать на них или контролировать их. Поскольку исследуемые мотивы повторяются в разных белках, их описание позволяет предсказания задач и регуляции многих белков. Первые опубликованные результаты уже подтверждают, что ингибиторы фурина сдерживают репликацию SARS-CoV-2 и могут иметь потенциальное фармацевтическое применение », – сказала Фаустова

.

Кризис короны стал испытанием для исследовательской системы

Фаустова добавляет, что пандемия короны показала способность глобального исследовательского сообщества сотрудничать. «Мы изучали закодированные ферментные сигналы различных мотивов в течение многих лет, и это позволило нам внести свой вклад в понимание механизмов коронавируса на основе нашего опыта. Сотни лабораторий по всему миру сделали то же самое. В условиях кризиса другие проекты были остановлены, чтобы совместно сосредоточить внимание на новом вирусе. За последние девять месяцев ученые-биологи всего мира добились огромного прогресса. Никогда раньше нам не удавалось объединить все наши силы и провести подробное изучение единого критического процесса. Качественные публикации в поля публикуются каждый день. Это вселяет в нас надежду, что вакцина от коронавируса и лекарства могут скоро дойти до нас ».

По словам Марта Лога, все это также может привести нас к отрезвляющему выводу: «В будущем передача вирусов от птиц и животных к человеку может происходить снова и даже чаще. Пандемия короны показала, что многие другие важные исследования (например, по раку) были приостановлены из-за одного вируса. Для решения ключевых проблем человечества крайне важно значительно увеличить глобальный потенциал наук о жизни. Это требует экспоненциального увеличения финансирования. При имеющихся ресурсах, мы не сможем разрешить несколько кризисов одновременно или подряд ». Луг добавил, что биотерроризм все чаще рассматривается как растущая угроза безопасности. Чтобы предотвратить их, исследования всегда должны быть на шаг впереди террористов. Для этого нам нужно инвестировать в исследования.