Детальная карта показывает, как вирусы заражают человека
Биологи из Колумбийского университета использовали вычислительный метод для картирования взаимодействий белков между всеми известными вирусами, заражающими человека, и клетками, которые они инфицируют. Метод и сгенерированные им данные дали богатую информацию о том, как вирусы манипулируют зараженными клетками и вызывают заболевание. Среди находок исследования — роль рецепторов эстрогена в регуляции инфекции вируса Зика и то, как вирус папилломы человека (HPV) вызывает рак.
Исследование под руководством Саги Шапиры, доктора философии, доцента системной биологии, опубликовано в журнале Cell.
Ограниченное понимание работы вирусов
На молекулярном уровне вирусы вторгаются в клетки и манипулируют ими для репликации, выживания и вызывания болезни. Поскольку они зависят от человеческих клеток в своем жизненном цикле, один из способов, которым вирусы захватывают клеточные механизмы, — это взаимодействия белков внутри клетки-хозяина. Клетки также реагируют на инфекцию, запуская иммунные ответы, которые контролируют и ограничивают репликацию вируса — и они тоже зависят от взаимодействий белков.
До сих пор традиционные методы идентификации этих ключевых взаимодействий были ограничены в масштабируемости, эффективности и доступности. Чтобы решить эту задачу, доктор Шапира и его коллеги разработали и применили вычислительную платформу P-HIPSTER, которая предсказывает взаимодействия между белками патогена и человека.
«Существует более 1000 уникальных вирусов, которые, как известно, заражают людей, — говорит доктор Шапира. — Несмотря на их бесспорную важность для общественного здоровья, мы практически ничего не знаем о подавляющем большинстве из них».
Используя новый алгоритм, P-HIPSTER использует информацию о структуре белков для систематического анализа взаимодействий вирус-человек с замечательной точностью. Исследователи применили P-HIPSTER ко всем 1001 вирусу, заражающему человека, и примерно 13 000 кодируемых ими белков. Алгоритм предсказал около 280 000 вероятных пар взаимодействующих белков с точностью почти 80%.
«Это первый шаг к созданию всеобъемлющей картографии физических взаимодействий между разными организмами», — говорит доктор Шапира.
Зика, HPV и вирусная эволюция
Помимо определения общевирусных белковых взаимодействий, P-HIPSTER дал новые биологические insights о вирусе Зика, HPV и влиянии вирусов на формирование человеческой генетики.
Среди открытий исследователи обнаружили, что вирус Зика взаимодействует с рецептором эстрогена. Более того, они выяснили, что рецептор эстрогена обладает потенциалом ингибировать репликацию вируса Зика даже сильнее, чем интерферон — ключевой белок первой линии антивирусной защиты организма.
Это открытие особенно актуально для клинической картины, поскольку беременные женщины наиболее восприимчивы к Зике в первом триместре, когда уровень эстрогена самый низкий. Именно в этот период плод наиболее уязвим для вируса, который может вызывать тяжелые врожденные дефекты.
Команда также исследовала взаимодействия HPV — основной причины рака шейки матки — с клетками, которые он инфицирует. Используя данные P-HIPSTER, они идентифицировали взаимодействия белков, которые отличают HPV-инфекции, связанные с раком, от тех, которые таковыми не являются. Это может привести к улучшенной диагностике и потенциально помочь предсказать патогенность вирусов.
Исследователи также обнаружили свидетельства сильного давления отбора на несколько десятков клеточных белков со стороны вирусной инфекции, что дает новое понимание того, как наш геном был сформирован вирусами.
Будущая работа
Доктор Шапира и его команда намерены применить P-HIPSTER к более сложным патогенам, таким как паразиты и бактерии, и использовать его для изучения коммуникации бактерий в человеческом кишечнике. В будущем алгоритм также может быть использован для исследования вирусов, поражающих сельскохозяйственные растения или скот.