Как вирус Зика защищает ключевые участки своего генома
Клетки могут бороться с вирусами, используя защитные ферменты, которые постепенно разрушают вирусную геномную цепь, начиная с одного из двух её концов. Однако этот механизм деградации неэффективен против таких эпидемических вирусов, как Зика. Защитный фермент "застревает" в определённых точках вирусного генома, которые оказывают сильное сопротивление, принимая "защитную" конформацию. Именно так вирусу удаётся защитить важные участки своей РНК внутри заражённых клеток, что показало недавнее исследование, координированное SISSA (Триест) и опубликованное в журнале Nature Communications.
Хотя способность некоторых вирусов (например, вызывающих лихорадку Зика, денге или жёлтую лихорадку) создавать РНК, устойчивые к атаке клеточных механизмов, была уже известна, учёные в этом исследовании с помощью компьютерного моделирования открыли и объяснили механистическую основу этого явления. Некоторые части вирусной цепи РНК реагируют на прогрессирующую ферментативную деградацию, которая начинается с одного конкретного конца цепи, принимая чрезвычайно компактную форму. Процесс деградации блокируется и обходится. В то же время, если к той же цепи РНК подойти с другого конца — того, с которого работают ферменты, копирующие её, — молекула не оказывает столь сильного сопротивления, позволяя вирусу эффективно реплицироваться. Защитный механизм, короче говоря, запускается там, где начинается атака.
Виртуальные эксперименты для изучения устойчивости вирусного генома
"Лабораторные эксперименты уже обнаружили, что значительные части генома Зика могут успешно сопротивляться атаке деградирующих ферментов. Однако то, как именно это происходит, было неясно и недоступно для прямого изучения с помощью современных экспериментальных методов", — объясняет Кристиан Микелетти из SISSA, координировавший исследование. Чтобы пролить свет на этот вопрос, учёные использовали компьютерное моделирование, воспроизведя в своего рода виртуальном эксперименте то, что происходит внутри клетки, когда вирусная РНК задействована с двух своих концов. "Исследование позволило нам понять, как устойчивость к деградации этих вирусных РНК закодирована в их сложной структуре и как эта структура, в свою очередь, обуславливает столь разную механическую устойчивость на двух концах. Раскрытая механистическая основа столь же проста, сколь и элегантна, и в то же время очень эффективна".
Как автоматический зонт
Микелетти объясняет это с помощью метафоры автоматического зонта: "если мы поставим наш автоматический зонт в держатель и по неосторожности нажмём кнопку, зонт заклинит, и он будет сопротивляться нашим попыткам вытащить его. Это примерно то, что происходит, когда защитные ферменты взаимодействуют с особыми точками цепи вирусной РНК: они запускают процесс стягивания цепи, который не позволяет им двигаться дальше". Напротив, ферменты, которые считывают или копируют ту же вирусную РНК, работают с противоположного конца цепи и не вызывают значительного сопротивления, позволяя патогену реплицироваться и распространять инфекцию. Короче говоря, взяв зонт с другого конца, нет риска нажать на переключатель.
От биологии к нанотехнологиям: новые перспективы исследований
"С помощью моделирования мы пролили свет на необычные механические свойства генома Зика и дополнили эксперименты, предоставив детальное описание лежащих в их основе атомарных процессов", — объясняет Антонио Сума, ведущий автор исследования.
"Будет очень интересно исследовать, можно ли найти эти удивительные механические свойства в других вирусных и невирусных РНК. Мы также надеемся, что наши выводы вдохновят на создание новых типов метаматериалов, например, супрамолекулярных цепей, которые благодаря продуманному дизайну своей конформации могли бы приобрести такую же направленную механическую прочность, как у РНК Зика", — продолжает Микелетти.
Новое исследование открывает новые перспективы для использования компьютерного моделирования с целью обнаружения ранее невообразимых свойств вирусных РНК и, таким образом, предоставления, в перспективе, возможных механистических подсказок для новых терапевтических подходов.
Более того, необычные свойства, обнаруженные в РНК Зика, которые являются продуктом длительной эволюционной гонки между вирусом и заражёнными организмами, могут быть использованы для разработки новых метаматериалов, наделённых направленным механическим сопротивлением.