Новый метод визуализации показывает сахарный щит ВИЧ в беспрецедентных деталях

Ученые из Scripps Research и Национальной лаборатории в Лос-Аламосе разработали метод для картирования с беспрецедентной детализацией зарослей скользких сахарных молекул, которые помогают защищать ВИЧ от иммунной системы.

Картирование этих щитов даст исследователям более полное понимание того, почему антитела реагируют на одни участки вируса, но не на другие, и может повлиять на разработку новых вакцин, нацеленных на наиболее уязвимые и доступные сайты на ВИЧ и других вирусах.

Сахарные молекулы, или «гликаны», рыхлые и нитевидные, и функционируют как щиты, потому что антителам трудно за них ухватиться, и они блокируют доступ к белковой поверхности. Эти щиты формируются на самых внешних спайковых белках ВИЧ и многих других вирусов, включая SARS-CoV-2, потому что эти вирусы эволюционировали сайты на своих спайковых белках, к которым молекулы гликанов — в норме обильные в клетках — будут автоматически присоединяться.

Традиционные методы атомарной визуализации не могли уловить эти неуловимые молекулы из-за их гибкости. В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые впервые разработали методы, позволяющие детально картировать эти молекулы на поверхности спайкового белка ВИЧ, известного как «Env».

Исследователи объединили метод атомарной визуализации под названием крио-электронная микроскопия (cryo-EM) с сложным компьютерным моделированием и техникой идентификации молекул — сайт-специфичной масс-спектрометрией. Cryo-EM усредняет десятки или сотни тысяч отдельных снимков, поэтому высокоподвижные молекулы, такие как гликаны, выглядят размытыми или не видны вовсе.

Интегрировав cryo-EM с другими технологиями, исследователи смогли восстановить этот потерянный сигнал от гликанов и использовать его для картирования сайтов уязвимости на поверхности Env.

Новый комбинированный подход показал структуру и динамическую природу гликанов в экстремальных деталях. Команда обнаружила, что отдельные гликаны не просто хаотично колеблются на поверхности, как считалось ранее, а собираются вместе в пучки и заросли.

Экспериментальные вакцины против ВИЧ используют модифицированные, созданные в лаборатории белки Env для вызова иммунного ответа. Эффективность этих вакцин частично зависит от расположения и степени гликанового щита на этих искусственных вирусных белках. Ученые применили свой метод для картирования гликанов на модифицированном белке ВИЧ Env, BG505 SOSIP.664, который используется в вакцине, проходящей клинические испытания.

Были обнаружены участки на поверхности этого белка, которые в норме должны быть покрыты гликанами, но не были. Это может объяснить, почему в испытаниях вакцины отмечались иммунные ответы антител на этот сайт.

Исследование также показало, что гликановый щит Env может различаться в зависимости от типа клеток, используемых для его производства. ВИЧ использует человеческие иммунные клетки для репликации, но белки для вакцин обычно производятся в других типах клеток млекопитающих.

В другом неожиданном открытии команда обнаружила, что при медленном ферментативном удалении гликанов с Env весь белок начинал разрушаться. Это указывает на то, что гликановый щит, который считался лишь защитой от антител, может также играть роль в поддержании формы и стабильности Env, сохраняя его готовность к инфицированию.

Новые методы картирования гликанов будут особенно полезны для разработки вакцин не только против ВИЧ. Эти техники могут быть применены непосредственно к другим вирусам с гликановым щитом, таким как вирусы гриппа и коронавирусы, а также расширены на некоторые виды рака, где гликаны играют ключевую роль.