Динамика ключевой стратегии вирусной атаки впервые визуализирована

Многие инфекционные вирусы, от ВИЧ до вируса Западного Нила, используют фундаментальный биологический процесс — сдвиг рамки считывания (frameshifting) — для максимизации своей атаки. Хотя этот механизм давно идентифицирован как ключевой для репликации вирусов в клетках-хозяевах, его динамику в реальном времени до сих пор не наблюдали напрямую.

Ученые из Университета штата Колорадо Тим Стасевич и Брайан Мански впервые разработали детальные методы визуализации и вычислительного анализа, чтобы наблюдать, количественно оценивать и понимать механизмы сдвига рамки на уровне отдельных молекул в живых клетках.

Их работа, опубликованная 6 июня в журнале Molecular Cell, включает вклад первого автора, аспиранта Кеннета Лиона, и поддержку в области вычислительного моделирования от постдока Луиса Агилера.

ВИЧ — пример ретровируса, то есть он несет генетическую информацию в молекуле РНК, а не ДНК. При инфицировании клетки вирус производит вирусные белки, манипулируя рибосомами — клеточными машинами синтеза белка, которые переводят генетические инструкции с РНК на белки. Во время сдвига рамки рибосома, транслирующая РНК, «соскальзывает» на один нуклеотид вперед или назад, что приводит к синтезу совершенно другой белковой последовательности. Этот процесс дает два белка с одной РНК и позволяет вирусам сохранять свои геномы компактными.

Команда Стасевича одновременно отслеживала трансляцию отдельных молекул РНК в две уникальные белковые цепи во время сдвига рамки, используя фрагменты вируса ВИЧ-1 (не целый вирус).

Исследователи обнаружили, что сдвиг рамки происходит всплесками активности после более длительного периода его отсутствия.

Ранее было известно, что, например, вирус ВИЧ производит белки со сдвигом рамки примерно в 5% случаев. Однако вместо того, чтобы множество РНК одновременно сдвигали рамку, ученые наблюдали, что этим активно занимается лишь подмножество РНК: около 5% РНК выполняют весь сдвиг рамки, в отличие от сценария, где 100% РНК разделяют эту функцию. Это показывает, что сдвиг рамки происходит только в небольшом подмножестве РНК.

Группа моделирования Мански воссоздала все наблюдения лаборатории Стасевича с помощью детальных компьютерных симуляций движения рибосом вдоль молекул РНК. Агилера и Мански показали, что временные флуктуации в данных флуоресценции можно воспроизвести, только если рибосомы, участвующие в вирусном сдвиге рамки, иногда делают паузу на сайте сдвига. Их модели предположили, что эти паузы вызывают «пробки» рибосом, которые поддерживают производство белков со сдвигом рамки еще долго после прекращения обычной трансляции. Модели предсказали, а эксперименты по визуализации подтвердили, что перемещение сайта сдвига рамки в середину РНК вызывает более крупные «пробки».

Следующая цель исследователей — одновременно визуализировать гораздо больше (возможно, сотни) различных молекул РНК и белков, каждая со своей уникальной меткой (цвет, яркость или скорость флуктуации). Эти и другие статистические сигнатуры можно будет визуализировать и количественно оценить благодаря дальнейшей интеграции методов визуализации одиночных молекул и вычислительного моделирования.

Исследование поддержано грантом в размере 1,2 миллиона долларов от Фонда У. М. Кека.