Структурные особенности внутренней работы вирусной наномашины
Исследователи из Института исследований Карилиона Виргинского политехнического университета (VTCRI) используют новые методы наномасштабной визуализации, чтобы изучить динамическую активность ротавирусов — опасных патогенов, вызывающих угрожающую жизни диарею у маленьких детей. Попадая в клетку-хозяина, ротавирус сбрасывает внешний белковый слой, оставляя двухслойную частицу (double-layered particle, DLP). Именно эти DLP производят молекулы матричной РНК (mRNA), необходимые для начала инфекции.
Исследователи Дебора Келли и Сара Макдональд, доценты VTCRI, получили молекулярные "снимки" ротавирусных DLP в процессе синтеза вирусной РНК с помощью крио-электронной микроскопии (cryo-EM). В работе также участвовали студенты-медики Джоанна Кам и Эндрю Деммерт и постдок Джастин Таннер.
Чтобы детально рассмотреть активные DLP, Келли разработала методику, позволившую визуализировать изменения во внешней оболочке. В сочетании с новыми вычислительными подходами учёные также смогли обнаружить ранее не наблюдавшуюся внутреннюю структуру DLP. Интересно, что изменения внутренних особенностей DLP соответствовали наблюдаемым различиям в уровнях продукции вирусной mRNA.
Эти результаты дают новое структурное понимание механики синтеза РНК ротавируса, что может пролить свет на то, как этот вирусный процесс происходит при заражении клетки-хозяина. Результаты опубликованы в последнем выпуске журнала Technology.
"Удивительно, что мы смогли увидеть разные уровни сложности внутри DLP, которые коррелировали с синтезом вирусной РНК", — сказала Келли. — "Когда вирусы были активны, их внешние структуры динамично двигались и становились менее организованными. В то же время чёткие внутренние особенности их ядер становились более выраженными".
Ключевым инновационным подходом лаборатории Келли стала возможность увидеть более широкий спектр вирусных структур. Исследуя DLP, прикреплённые к антителам на стабильной поверхности, учёные смогли наблюдать, как наномашины проходят свои естественные процессы.
Келли и Макдональд также использовали новый компьютерный алгоритм для независимой категоризации DLP, что исключило влияние субъективного фактора в расчётах. Этот статистический вычислительный подход классифицировал образцы на основе уровней продукции РНК. Результаты чётко показали, что DLP с менее организованным внешним белковым слоем имели более чёткие детали во внутреннем ядре. На изображениях cryo-EM такие DLP также находились рядом с большим количеством нитей РНК.
"Многие годы учёные были сосредоточены на результатах с высоким разрешением и не уделяли внимания тонкому разнообразию, существующему в вирусных образцах", — сказала Макдональд. — "Но это разнообразие может указывать на то, как вирусы фактически функционируют внутри клеток. Они не статичны, а динамичны по своей природе".
"Это немного противоречит интуиции", — добавила Келли. — "Можно подумать, что если биологические части движутся, то детали должны рассеиваться. Однако, когда такие перестройки происходят в ограниченном пространстве, это может потенциально привести к более высокому уровню организации. Скоординированные изменения снаружи вирусов, по-видимому, делают эти процессы возможными".
По словам Келли, эти результаты дают новое представление о процессах синтеза РНК ротавируса и могут оказаться полезными для понимания вирусной биологии в целом. Углубление понимания внутренней работы ротавируса также может указать на новые мишени для разработки методов лечения вирусных диарейных заболеваний.