Цветной биосенсор в реальном времени показывает, как вирусы атакуют клетки-хозяева

Все вирусы могут наносить ущерб, только размножаясь внутри клеток другого организма — своего хозяина. Учёные из Университета штата Колорадо изучают этот фундаментальный процесс, чтобы понять, как вирусы обманом заставляют клетки-хозяева создавать свои копии.

Впервые команде удалось показать важный механизм этого процесса на уровне отдельных молекул в живых клетках и воспроизвести это поведение в компьютерных моделях. Эксперименты и модели, опубликованные в Nature Structural and Molecular Biology, раскрывают, как вирусы инициируют трансляцию генетического материала в белки.

Захват клетки-хозяина

Поскольку вирусы не имеют собственного аппарата репликации, они захватывают его у клеток-хозяев, "воруя" клеточные машины — рибосомы, которые производят белки из генетического материала в РНК. Многие вирусные геномы содержат особые структуры РНК — Internal Ribosome Entry Sites (IRES), которые захватывают рибосомы хозяина, заставляя их производить вирусные белки.

Исследователи создали биосенсор, который светится синим, когда происходит вирусная трансляция, и зелёным, когда идёт обычная трансляция хозяина, в отдельных живых клетках. Это позволяет различать нормальные и вирусные процессы в реальном времени.

Сенсор сочетает релевантные части вируса (не целый вирус), которые взаимодействуют с рибосомами хозяина, с двумя различными белковыми метками, которые светятся в момент трансляции РНК. Аспирант Аманда Кох потратила более года на разработку сенсора, чтобы одновременно наблюдать за трансляцией РНК хозяина и вируса.

Постдок Луис Агилера построил детальную вычислительную модель, воспроизводящую видео флуоресцентной микроскопии Коха. Анализируя данные через призму десятков гипотез и миллионов возможных комбинаций, он обнаружил сложные биохимические механизмы, которые биохимики не могли наблюдать напрямую. Его модели показали, что как здоровая человеческая РНК, так и вирусная РНК колеблются между состояниями активной экспрессии белков и состояниями покоя.

Клеточный стресс

Биосенсор также позволил визуализировать эффекты различных типов стресса, которые клетки испытывают при атаке вируса, и то, как, где и когда нормальная и вирусная трансляция усиливаются или ослабевают. Интеграция данных микроскопии Коха и вычислительных моделей Агилеры показала, что соотношение между нормальной и IRES-опосредованной трансляцией в значительной степени одностороннее: в здоровых клетках доминирует нормальная трансляция, а в клетках под стрессом — IRES-трансляция.

Команды видят, что сочетание их уникальных биохимических сенсоров и детальных вычислительных анализов станет мощным инструментом для понимания, прогнозирования и контроля того, как будущие лекарства могут подавлять вирусную трансляцию, не затрагивая трансляцию хозяина.

Будущее применение для COVID-19

В дальнейшем исследователи планируют сосредоточиться на SARS-CoV-2. Хотя этот вирус не содержит IRES, биосенсор является модульным и может легко включать части SARS-CoV-2 для изучения того, как он уникальным образом захватывает аппарат репликации хозяина во время инфекции.