Как крошечные шарниры изгибают шипы коронавируса, распространяющие инфекцию
Коронавирус использует белковые «шипы» для захвата и заражения клеток. Несмотря на название, эти шипы не являются жёсткими и острыми. Они имеют форму куриных голеней, где «мясистая» часть обращена наружу и может наклоняться в разные стороны на тонкой ножке. Эта способность к наклону влияет на успешность заражения клетки.
Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США и Стэнфордского университета вместе с коллегами из трёх других университетов получили высокодетальные изображения интактных шипов коронавируса на поверхности вирусных частиц. Они идентифицировали крошечный шарнир, окружённый молекулами сахаров, который позволяет «короноподобной» головке шипа изгибаться на ножке, и измерили, как далеко она может наклоняться в любом направлении.
Хотя исследование проводилось на гораздо менее опасном родственнике SARS-CoV-2, вируса, вызывающего COVID-19, оно имеет значение и для COVID-19, поскольку оба вируса связываются с одним и тем же рецептором на поверхности клетки для инициации инфекции. Результаты предполагают, что блокирование шарнира шипа может быть эффективным способом предотвращения или лечения широкого спектра коронавирусных инфекций.
Команда также обнаружила, что каждая вирусная частица уникальна как по своей основной форме, так и по набору шипов. Некоторые сферические, другие — нет; некоторые покрыты шипами, другие почти «лысые».
«Шипы гибкие и движутся, и мы использовали комбинацию инструментов, чтобы изучить все их возможные углы и ориентации», — сказал учёный. При близком рассмотрении каждый шип отличается от остальных, в основном, направлением и степенью наклона.
Исследование опубликовано в Nature Communications.
«С начала пандемии большинство исследований рассматривали структуры шиповидных белков коронавируса, не прикреплённых к самому вирусу. Это первые изображения шипов этого штамма коронавируса, пока они ещё прикреплены к вирусным частицам».
Более доброкачественный кузен SARS-CoV-2
Эксперименты проводились с коронавирусом человека NL63. Он вызывает до 10% респираторных инфекций у людей, в основном у детей и людей с ослабленным иммунитетом.
В 2020 году команда использовала криогенную электронную микроскопию (крио-ЭМ) и вычислительный анализ, чтобы получить изображения головок шипов NL63 с почти атомарным разрешением. Однако из-за того, что ножка шипа намного тоньше головки, получить чёткие изображения обеих частей одновременно не удалось.
Увеличение шипов
Это исследование объединило данные из серии экспериментов, чтобы получить более полную картину.
- Крио-электронная томография (крио-ЭТ): позволила создать высокодетальные 3D-изображения более сотни частиц NL63, показав, что каждый шип на частице изогнут уникальным образом.
- Расширенная реконструкция изображений: создала карты, показывающие среднюю плотность головок и ножек шипов.
- Масс-спектрометрия: определила сайт-специфичный химический состав 39 цепочек сахаров, присоединённых к каждой из трёх идентичных белковых субъединиц шипа.
- Компьютерное моделирование: интегрировало все измерения в атомные модели шипов с разными углами изгиба и провело симуляции, чтобы увидеть, как далеко и свободно шип может изгибаться.
«Оказывается, что, несмотря ни на что, шипы имеют предпочтительный угол изгиба около 50 градусов и могут наклоняться до 80 градусов в любом направлении в симуляции, что хорошо согласуется с нашими экспериментальными наблюдениями крио-ЭТ».
Изгиб происходил в месте на ножке, чуть ниже головки, где особая группа молекул сахара присоединялась к белку, образуя шарнир. Компьютерное моделирование показало, что изменения в структуре этого шарнира влияют на его способность изгибаться. Лабораторные эксперименты пошли дальше: они показали, что мутации в белковой части шарнира делали шип гораздо менее инфекционным. Это говорит о том, что нацеливание на шарнир может стать путём борьбы с вирусом.
«Исследователи, работающие с более опасными коронавирусами, включая MERS-CoV и SARS-CoV-2, идентифицировали эквивалентную область и обнаружили антитела, нацеленные на неё. Это говорит нам, что это критически важная область, которая высоко консервативна, то есть оставалась практически неизменной в ходе эволюции. Возможно, нацелившись на эту область у всех коронавирусов, мы сможем разработать универсальную терапию или вакцину».