Ахиллесова пята коронавируса
Вирусы используют ресурсы заражённой клетки для репликации, заражения новых клеток и передачи другим организмам. Ключевой этап жизненного цикла вируса — производство новых вирусных белков на основе инструкций в вирусном РНК-геноме. Следуя этим "чертежам", собственная машина синтеза белка клетки — рибосома — производит вирусные белки.
В отсутствие инфекции рибосома движется по РНК строго определёнными шагами, считывая по три буквы РНК за раз. Этот трёхбуквенный код определяет соответствующую аминокислоту, которая присоединяется к растущему белку. Почти никогда не случается, чтобы рибосома соскальзывала на одну или две буквы РНК вперёд или назад вместо следования регулярным трёхбуквенным шагам. Такое соскальзывание называется "сдвигом рамки считывания" (frameshift) и приводит к неправильному прочтению генетического кода.
В наших клетках сдвиг рамки почти никогда не происходит, так как это привело бы к появлению нефункциональных клеточных белков. Однако некоторые вирусы, такие как коронавирусы и ВИЧ, зависят от этого события для регуляции уровня вирусных белков. Например, SARS-CoV-2 — вирус, вызывающий COVID-19, — критически зависит от сдвига рамки, который обеспечивается необычной и сложной структурой (фолдингом) вирусной РНК.
Поскольку сдвиг рамки важен для вируса, но почти не происходит в нашем организме, любое соединение, ингибирующее этот процесс путём воздействия на структуру РНК, потенциально может стать лекарством против инфекции. Однако до сих пор не было информации о том, как вирусная РНК взаимодействует с рибосомой, чтобы вызвать сдвиг рамки, что важно для разработки лекарств.
Детальное изображение ключевого процесса для репликации коронавируса
Команда исследователей из ETH Zurich и университетов Берна, Лозанны (Швейцария) и Корка (Ирландия) впервые смогла выявить взаимодействия между вирусным геномом и рибосомой во время сдвига рамки. Их результаты только что опубликованы в журнале Science.
С помощью сложных биохимических экспериментов исследователям удалось "захватить" рибосому на сайте сдвига рамки в геноме РНК SARS-CoV-2. Затем они изучили этот молекулярный комплекс с помощью крио-электронной микроскопии.
Результаты дали молекулярное описание процесса с беспрецедентной детализацией и выявили ряд новых, неожиданных особенностей. Событие сдвига рамки заставляет обычно динамичную машину рибосомы принимать напряжённую конформацию. Это помогло получить одно из самых чётких и точных изображений рибосомы млекопитающих, визуализированной в процессе сдвига рамки при считывании информации с вирусного генома. Исследователи дополнили свои структурные находки экспериментами in vitro и in vivo, включая изучение того, как на этот процесс можно воздействовать химическими соединениями. Ненад Бан, профессор молекулярной биологии ETH Zurich и соавтор исследования, подчёркивает: "Результаты, представленные здесь для SARS-CoV-2, также будут полезны для понимания механизмов сдвига рамки в других РНК-вирусах".
Потенциальная мишень для разработки противовирусных препаратов
Зависимость SARS-CoV-2 от этого события рибосомного сдвига рамки можно использовать для разработки противовирусных препаратов. Предыдущие исследования сообщали, что несколько соединений способны ингибировать сдвиг рамки у коронавирусов. Однако настоящее исследование впервые предоставляет информацию о влиянии этих соединений на уровень SARS-CoV-2 в инфицированных клетках.
В экспериментах оба соединения снижали репликацию вируса на три-четыре порядка величины и не были токсичны для обработанных клеток. Однако одно из них снижало репликацию именно за счёт ингибирования рибосомного сдвига рамки, в то время как второе, возможно, действовало через другой механизм.
Хотя эти соединения в настоящее время недостаточно эффективны для использования в качестве терапевтических препаратов, данное исследование демонстрирует, что ингибирование рибосомного сдвига рамки оказывает глубокое влияние на репликацию вируса. Это открывает путь для разработки более эффективных соединений. Учитывая, что все коронавирусы зависят от этого консервативного механизма сдвига рамки, препарат, нацеленный на этот процесс, может быть полезен даже для лечения инфекций, вызванных более дальними родственными коронавирусами. "Наша будущая работа будет сосредоточена на понимании клеточных защитных механизмов, подавляющих вирусный сдвиг рамки, так как это может быть полезно для разработки малых соединений с аналогичной активностью", — говорит Бан.