Раскрыта архитектура сердцевины поксвирусов
Недавнее повторное появление и вспышка оспы обезьян вернули поксвирусы в статус угрозы общественному здоровью, подчеркнув важный пробел в знаниях об их сердцевине. Исследователи из Института науки и технологий Австрии (ISTA) раскрыли тайны архитектуры сердцевины поксвирусов, комбинируя различные методы криогенной электронной микроскопии с молекулярным моделированием.
Результаты, опубликованные в Nature Structural & Molecular Biology, могут облегчить будущие исследования терапевтических средств, нацеленных на сердцевину поксвируса.
Вирус натуральной оспы (Variola virus), самый известный поксвирус и один из самых смертоносных вирусов, опустошал человечество, пока не был искоренен в 1980 году. Эрадикация удалась благодаря масштабной кампании вакцинации с использованием другого поксвируса — вируса коровьей оспы (Vaccinia virus).
Вспышка вируса оспы обезьян в 2022–2023 гг. вновь напомнила, что вирусы находят способы вернуться. Это подчеркнуло фундаментальные вопросы о поксвирусах, остающиеся без ответа.
Один из таких вопросов лежит в самой сердцевине. «Мы знаем, что для инфекционности поксвирусов их вирусная сердцевина должна быть правильно сформирована. Но из чего она состоит и как её компоненты собираются и функционируют?» — задаётся вопросом доцент ISTA Флориан Шур, автор-корреспондент исследования.
Команда Шура обнаружила недостающее звено — белок A10. Интересно, что A10 присутствует во всех клинически значимых поксвирусах. Исследователи выяснили, что A10 выступает одним из основных строительных блоков сердцевины. Это знание может быть ключевым для разработки терапий, нацеленных на сердцевину.
Самые передовые методы крио-ЭМ
Вирусная сердцевина — общий фактор для всех инфекционных форм поксвирусов. «Предыдущие эксперименты в вирусологии, биохимии и генетике указывали на несколько белков-кандидатов, но не было доступных экспериментально полученных структур», — говорит аспирант ISTA Джулия Датлер, соавтор исследования.
Команда начала с компьютерного предсказания моделей основных белков-кандидатов с помощью известного инструмента молекулярного моделирования на основе ИИ — AlphaFold. Параллельно Датлер заложила биохимические и структурные основы проекта, используя свой опыт в вирусологии и основную экспертизу группы Шура — криогенную электронную микроскопию (крио-ЭМ).
«Мы интегрировали многие из самых передовых методов крио-ЭМ с молекулярным моделированием AlphaFold. Это впервые дало нам детальный общий вид сердцевины поксвируса — "сейфа" или "биореактора" внутри вируса, который заключает вирусный геном и высвобождает его в зараженных клетках», — говорит Шур.
«Это был определённый риск, но в итоге мы нашли правильную комбинацию методов для изучения этого сложного вопроса», — отмечает постдок Джесси Хансен, чей опыт в различных методах структурной биологии и обработки изображений был ключевым.
Глобальный 3D-вид поксвируса
Исследователи ISTA изучили «живые» зрелые вирионы вируса Vaccinia и очищенные сердцевины поксвирусов со всех возможных ракурсов.
«Мы объединили "классическую" крио-ЭМ отдельных частиц, крио-электронную томографию, усреднение субтомограмм и анализ AlphaFold, чтобы получить общее представление о сердцевине», — объясняет Датлер. Крио-электронная томография позволяет реконструировать 3D-объем биологического образца размером с целый вирус, получая изображения при постепенном наклоне образца.
«Это как сделать КТ-сканирование вируса», — говорит Хансен. «Крио-электронная томография, "специальность" нашей лаборатории, позволила получить нанометровое разрешение для всего вируса, его сердцевины и внутренностей», — добавляет Шур.
Кроме того, исследователи смогли вписать модели AlphaFold в наблюдаемые формы, как пазл, и идентифицировать молекулы, составляющие сердцевину. Среди них белок-кандидат A10 выделялся как один из основных компонентов.
«Мы обнаружили, что A10 определяет ключевые структурные элементы сердцевины поксвирусов», — говорит Датлер. Шур добавляет: «Эти результаты — отличный ресурс для интерпретации фрагментов структурных и вирусологических данных, собранных за последние десятилетия».
Сложный путь к открытию
Путь к этим выводам был непростым. «Нам с самого начала пришлось искать свой собственный путь», — говорит Датлер. Используя свой опыт в биохимии, вирусологии и структурной биологии, Датлер изолировала, размножила и очистила образцы вируса Vaccinia, разработала протоколы для очистки полной вирусной сердцевины и оптимизировала эти образцы для структурных исследований.
«Структурно изучать эти сердцевины вируса было чрезвычайно сложно. Но, к счастью, наша настойчивость и оптимизм окупились», — говорит Хансен.
Исследователи ISTA уверены, что их результаты могут стать платформой знаний для будущих терапевтических средств, нацеленных на сердцевины поксвирусов.
«Например, можно представить препараты, которые предотвращают сборку сердцевины или даже её разборку и высвобождение вирусной ДНК во время инфекции. В конечном счете, фундаментальные исследования вирусов, подобные этому, позволяют нам быть лучше подготовленными к возможным будущим вспышкам», — заключает Шур.