Как сахара на мембране клетки мешают гриппу
Вирусу гриппа для размножения и распространения необходимо проникнуть в человеческие клетки. Но прежде чем достичь поверхности клетки, вирусу приходится пробираться через густой "лес" из покрытых сахарами белков на её поверхности — гликокаликс. Новое исследование из Стэнфорда показывает, как особенно "кустистые" белки в этом лесу, называемые муцинами, могут препятствовать прогрессированию гриппа.
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences 26 мая, аспиранты-химики и соавторы Бетти Уэбстер и Корлеоне Делаверис создали синтетические версии природных муцинов и закрепили их на искусственных мембранах. Они обнаружили, что увеличение плотности муцинов на поверхности ингибирует два ключевых этапа заражения вирусом гриппа А. Эти результаты помогают объяснить естественный ответ клетки на инфекцию и закладывают основу для лучшего понимания и лечения гриппа и других респираторных вирусов.
"Это фундаментальное исследование даёт нам и другим учёным преимущество в разработке методов лечения гриппа и других вирусов", — сказала Уэбстер. "Как лечить вирус, если не знаешь, как он заражает клетку? И как улучшить существующую терапию, если не понимаешь, почему она работает?"
Уэбстер из лаборатории профессора химии Стивена Боксера и Делаверис из лаборатории сопредседателя Stanford ChEM-H Кэролин Бертоцци начали сотрудничество после разговора за завтраком на ретрите "Химия-Биология" в 2017 году. Они обнаружили общий интерес к тому, как муцины на клеточных мембранах влияют на вирусную инфекцию.
Муцины привлекли их внимание по двум основным причинам. Во-первых, когда клетки инфицированы вирусами, они часто начинают производить гораздо больше муцинов. Хотя гены, участвующие в этом процессе, в основном идентифицированы, причина этого остаётся неизвестной. Во-вторых, муцины часто содержат специфический сахар — сиаловую кислоту, — который может "привязывать" вирус к клетке и помогать ему занять положение для связывания с рецепторами на клеточной поверхности.
После успешного связывания клеточная мембрана загибается, "проглатывая" вирус вместе с окружающими муцинами и другими поверхностными сахарами, и образует внутри клетки небольшой пузырёк — эндосому. На следующем жизненно важном этапе вирусной инфекции вирус сливается с оболочкой этого эндосома, чтобы высвободить свой генетический материал в клетку.
Исследователи хотели раздельно изучить, как длина муцинов, их плотность на поверхности и количество сиаловой кислоты могут способствовать или препятствовать связыванию с мембраной и слиянию. Природные муцины структурно разнообразны по длине и составу сахаров на их "ветвях", поэтому команда создала серию коротких и длинных муцинов, которые либо содержали, либо не содержали сиаловую кислоту. Затем они "посадили" их редко или густо на свои мембранные имитации и добавили вирус гриппа, чтобы отдельно наблюдать за связыванием и слиянием.
Они обнаружили, что плотный слой муцинов затруднял связывание и замедлял слияние. Хотя точная плотность, необходимая для этих изменений, варьировалась в зависимости от длины отдельных муцинов, эти вирус-замедляющие сдвиги наблюдались как для коротких, так и для длинных муцинов.
Дальнейшие эксперименты показали, что при достаточном пространстве между собой муцины разной длины могут расслабляться и располагаться на поверхности клетки, образуя тонкий слой. Однако когда муцины посажены близко друг к другу, они вытягиваются прямо от поверхности и создают более толстый барьер, который должен преодолеть проникающий вирус. В сочетании с предыдущими исследованиями этот вывод подтверждает теорию о том, что клетки производят больше муцинов в ответ на инфекцию, чтобы создать более толстый барьер, препятствующий вирусу гриппа на этапах связывания и слияния.
"Удивительно, что мы нашли доказательства того, как клетка защищает себя от инфекции", — сказал Делаверис. "Защитные механизмы, такие как увеличение гликокаликса в данном случае, могут в будущем подсказать направление для разработки терапии".
Исследователи надеются, что их метод и выводы помогут в борьбе с другими вирусами, которые заражают организм через лёгкие и дыхательные пути, имеющие богатые муцинами слизистые оболочки. "Растёт интерес к механизмам, с помощью которых респираторные вирусы осуществляют первый контакт со своими хозяевами", — сказала Бертоцци. "То, что мы узнали из этих исследований вируса гриппа, может иметь отношение к другим вирусам, которые должны преодолевать слой слизи, взаимодействуя с лигандами на поверхности клетки, включая SARS-CoV-2".