Разбор инфекционного механизма SARS-CoV-2
Три специалиста по биоимиджингу, обсуждая в феврале 2020 года вспышку вируса в Китае, решили внести свой вклад в борьбу с ним. Почти полтора года спустя они и их многочисленные collaborators из трех национальных лабораторий опубликовали в Biophysical Journal комплексное исследование — первый шаг к разработке методов лечения COVID-19.
Работа сосредоточена на белковом комплексе, который позволяет вирусу SARS-CoV-2 захватывать молекулярные механизмы наших клеток для репликации.
От структуры к функции и решениям
«Единственная задача вируса — копировать свой генетический материал, к сожалению, за наш счет», — отметил Грег Хьюра из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab), соавтор исследования.
Ключевая машина, отвечающая за репликацию и транскрипцию РНК у коронавирусов, — это RNA transcription complex (RTC). Это formidable biological weaponry. Для успешного выполнения своих задач RTC должен:
- отличать вирусную РНК от РНК хозяина,
- распознавать и связывать основания РНК, а не похожей ДНК,
- конвертировать свою РНК в mRNA (чтобы обмануть рибосомы),
- взаимодействовать с молекулами, проверяющими ошибки копирования,
- транскрибировать определенные участки вирусной РНК,
- при этом уклоняться от иммунной системы хозяина.
RTC — это не статичная структура. Это гибкий комплекс с nonstructural and accessory proteins (Nsps), существующий во множестве быстро меняющихся форм в зависимости от задачи. Каждая из этих конформаций дает представление о разных функциях белка и обнажает различные участки поверхности RTC, что можно использовать для поиска мест связывания потенциальных лекарств.
Наука в условиях изоляции
Исследование объединило данные нескольких передовых методов визуализации:
- small-angle X-ray scattering (SAXS) и X-ray crystallography на Advanced Light Source (Berkeley Lab) и Advanced Photon Source (Argonne),
- small-angle neutron scattering (SANS) на High Flux Isotope Reactor и Spallation Neutron Source (Oak Ridge).
Работа велась более 15 месяцев благодаря финансированию от DOE's Office of Science National Virtual Biotechnology Laboratory (NVBL). Все данные были загружены в открытый доступ Protein Data Bank.
Ключевые структурные открытия для разработки лекарств:
- Сборка субъединиц RTC невероятно точна и следует строгому порядку, подобно сборке механизма с пружиной.
- Идентифицировано, как один из Nsps распознает специфические молекулы РНК и разрезает длинные цепи скопированной РНК на фрагменты правильной длины.
«Вакцины — это огромное достижение. Но почему мы должны удовлетворяться только этим одним путем защиты?» — задается вопросом Хьюра. Анджей Йоахимиак (Argonne) добавляет, что это обзорное исследование определило множество направлений для дальнейшей глубокой работы: «Чтобы справиться с этим вирусом, нам понадобятся multiple ways of blocking its proliferation». Хью О’Нил (Oak Ridge) отмечает, что «комбинация информации от различных структурных техник и вычислений будет ключом к достижению этой цели».
Из-за сходства белков RTC у разных штаммов вирусов, любые разработанные лекарства, блокирующие его активность, могут быть эффективны против multiple viral infections, включая все варианты COVID-19.