Умное перепрофилирование биологического инструмента раскрывает новые данные об успехе вируса гриппа
Ученые десятилетиями знали, что вирус гриппа в человеческом теле может сильно отличаться от вирусов, выращенных в лаборатории. В отличие от однородных сферических вирусов из учебника в чашке Петри, в организме человека они различаются по форме и составу — особенно по обилию определенных белков — даже будучи генетически очень похожими.
Однако было сложно изучать точное количество и расположение этих белков на каждом отдельном вирусе. Стандартный метод в клеточной биологии предполагает присоединение флуоресцентного белка к интересующей области; свечение облегчает визуализацию и изучение.
Но попытка присоединить флуоресцентные белки к молекулам, из которых состоит вирус гриппа, похожа на попытку посадить третьего человека на тандемный велосипед: просто нет места. Флуоресцентные белки примерно того же размера, что и белки гриппа; введение такого относительно крупного элемента нарушает работу вируса.
Исследование Майкла Вахи, доцента Школы инженерии и прикладных наук Вашингтонского университета в Сент-Луисе, и Дэниела А. Флетчера, профессора инженерии биологических систем им. Пурненду Чаттерджи и заведующего кафедрой биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли, демонстрирует, что белки гриппа можно метить другим методом. Этот процесс уже дал информацию, указывающую как минимум на одно преимущество существования множества фенотипов гриппа — различных форм и конфигураций, обнаруживаемых у генетически идентичных вирусных частиц.
Статья была опубликована 9 ноября в журнале Cell.
Преодоление проблемы маркировки
Чтобы обойти трудности с маркировкой, Вахи адаптировал метод, обычно используемый для маркировки специфического участка на белке, называемый, соответственно, «сайт-специфическим мечением». Вместо использования флуоресцентного белка он вставил последовательности длиной 5–10 аминокислот в белки, из которых состоит вирус гриппа А. Это самый распространенный и самый опасный для человека вирус гриппа.
После вставки этих коротких последовательностей он ввел ферменты и небольшое количество флуоресцентных красителей. Эти ферменты присоединяют молекулы красителя к модифицированным вирусным белкам, позволяя исследователям видеть отдельные белки, не нарушая их функции или функции вируса в целом.
Особый интерес для исследователей представляют белки гемагглютинин (HA) и нейраминидаза (NA). HA отвечает за прикрепление вируса гриппа к клетке, а NA — за отделение вируса от клетки, чтобы он мог заражать другие (отсюда обозначения, такие как H1N1 или H3N2; поверхность вируса имеет разные типы HA и NA, обозначаемые конкретными номерами или подтипами).
«Как только мы получаем возможность маркировать отдельные вирусы, мы можем визуализировать их и количественно определять, сколько каждого белка они имеют на частицу и какого размера эта частица», — сказал Вахи.
Эксперимент с ингибитором нейраминидазы
Используя сайт-специфическое мечение, исследователи изучили отдельные вирусы гриппа, высвобождаемые из клеток. Некоторые клетки обрабатывали веществом, блокирующим функцию NA по высвобождению вируса из клетки (так работает противовирусный препарат Тамифлю). Затем они сравнили вирусные частицы, которые смогли отделиться от необработанных клеток, с теми, что отделились от клеток, обработанных ингибитором NA.
«Мы обнаружили, что вирусы, которые меньше или имеют больше NA, более устойчивы к ингибитору NA, — сказал Вахи. — У них было больше шансов отделиться от клетки, обработанной Тамифлю». Затем они могли заражать новые клетки.
Результаты показывают, что эти два варианта — меньший, чем в среднем, размер или большее количество NA — могут быть полезны для вируса, оказавшегося в организме человека, получающего Тамифлю. Это один из примеров того, как большое разнообразие среди отдельных вирусов может давать преимущество.
С другой стороны, вирусы с большим количеством HA или более крупные могут прочнее связываться с клетками. «В конкретных обстоятельствах может быть выгодно находиться в любой точке этого диапазона, — сказал Вахи. — В случае лечения Тамифлю вы ингибируете NA, и вирусы, которые случайно имеют больше NA и при этом меньше, получают небольшое преимущество».
Широкие последствия: адаптивность и вакцины
В более широком смысле фенотипическое разнообразие позволяет вирусу быстро адаптироваться к изменяющейся среде без необходимости накопления генетических мутаций. Каждый раз, когда вирус реплицируется, следующее поколение демонстрирует множество вариаций, некоторые из которых могут быть приспособлены к окружающей среде.
В перспективе важность фенотипа может иметь значение для разработки новых вакцин против гриппа. «Обычно при разработке вакцины против гриппа беспокоятся о том, как генетические изменения в вирусе могут снизить ее эффективность, — сказал Вахи. — Это может быть дополнительным соображением: как вариация вирусного фенотипа может этому способствовать».