«Это фундаментальная наука. Она ставит новые цели для потенциальных противовирусных препаратов в ближайшие пять-десять лет, но, к сожалению, не повлияет на нынешнюю эпидемию Эболы» в Западной Африке, — говорит Савез Саффариан, старший автор нового опубликованного исследования.
Сегодня журнал Публичной научной библиотеки PLOS Computational Biology.Саффариан, вирусолог и доцент кафедры физики и астрономии, и его коллеги изучали вирус лошадей, крупного рогатого скота и свиней, названный VSV (вирус везикулярного стоматита), который является членом семейства вирусов NNS RNA. Это семейство также включает близкородственные вирусы, вызывающие лихорадку Эбола, корь, бешенство, а также общий респираторно-синцитиальный вирус у детей, или RSV.
Генетический план этих вирусов представляет собой цепь РНК, покрытую белком, как бусинки на ожерелье.По словам Саффариана, проведя 20 000 компьютерных симуляций VSV, которые начинают воспроизводиться различными возможными способами, исследование обнаружило «фундаментальный механизм», используемый VSV и родственными вирусами, такими как Эбола, для создания собственных копий или репликации.Механизм: как только вирус заражает клетку, ферменты, называемые полимеразами, буквально скользят по цепи вирусной РНК, покрытой белковой «бусиной», пока не достигнут нужного конца цепи.
Затем полимеразы могут считывать и «транскрибировать» код РНК, чтобы синтезировать информационную РНК или мРНК. Как только одна полимераза начинает это делать, она сталкивается с другими скользящими полимеразами, отталкивая их внутри клетки, пока они тоже не присоединятся к правильному концу РНК и не начнут копировать. Это позволяет вирусу реплицироваться и захватить инфицированную клетку-хозяин.«Предлагаемый скользящий механизм — это фундаментальный новый механизм, специфичный для вирусов NNS RNA, которые могут стать мишенью для противовирусных препаратов в будущем», — говорит Саффариан, и он надеется, что ученые-фармацевты будут заниматься этим.
Скольжение контрастирует с репликацией многих других вирусов, в которых полимеразы легко отделяются от вируса внутри инфицированной клетки, а затем находят правильный конец РНК, и начинается репликация.Этот механизм был обнаружен с помощью компьютерного моделирования, поэтому «сейчас мы работаем над демонстрацией доказательств наличия скользящего механизма в VSV», — говорит Саффариан.
Он считает, что это открытие «столь же фундаментально, как и понимание работы протеазы ВИЧ» — фермента, необходимого для репликации вируса СПИДа, который стал мишенью ингибиторов протеазы, что впервые позволило пациентам со СПИДом жить со СПИДом как хроническая, а не смертельная болезнь.Саффариан провел исследование с первым автором и докторантом физики Сяолинь Таном, а также с ученым-исследователем Мурадом Бендженнатом. Исследование финансировалось Национальным научным фондом.Почему противовирусные препараты могут быть лучше вакцин
Многие вирусы имеют свой геном или генетический план, скрытый в оболочке из жира или липидов. Единственные части вируса, которые подвергаются воздействию, — это некоторые белки оболочки, и около 10 процентов этих белков используются вирусом, чтобы играть непосредственную роль в проникновении и заражении клетки-мишени.
Антитела в вакцинах нацелены на белки, чтобы атаковать и блокировать вирусную инфекцию.Но вирусы быстро мутируют в различных белках, подвергшихся воздействию, что делает вакцины менее чем идеальными, о чем свидетельствует открытие, что вакцина против гриппа этого года не совсем соответствует вирусам, циркулирующим в этом сезоне гриппа.
Некоторые вирусы, известные как РНК-вирусы, имеют генетическую схему, состоящую из РНК, а не ДНК. Создание вакцин особенно сложно для многих РНК-вирусов, в том числе ВИЧ, гриппа и группы с VSV и Эбола, потому что РНК-вирусы умеют мутировать и изменять свои белки оболочки, чтобы избежать вакцинации, говорит Саффариан, добавляя, что вирус Эбола сейчас в Африке «очень быстро мутирует».
Поэтому, хотя сейчас разрабатываются многообещающие вакцины-кандидаты против Эболы, Саффариан говорит, что «вакцины — не самый эффективный способ борьбы с этими РНК-вирусами».«Единственный способ создать стабильную противовирусную терапию против РНК-вирусов — это нацелить несколько сайтов в репликационном аппарате», — добавляет он.Тайна репликации вируса ЭболаНекоторые РНК-вирусы известны как «несегментированные негативно-смысловые» или РНК-вирусы NNS, в том числе вирусы Эбола, бешенства, кори, вирус VSV домашнего скота и RSV.
«Механизм репликации вируса Эбола до конца не изучен, потому что невозможно воспроизвести репликацию вируса Эбола в лаборатории», — говорит Саффариан. «Это сложно с биохимической точки зрения. Но было показано, что фундаментальный механизм репликации почти идентичен хорошо изученному животному вирусу VSV», который инфицирует и вызывает кровотечение во рту и язвы вымени у крупного рогатого скота, лошадей и свиней.Когда вирус NNS RNA заражает клетку, его генетический план РНК попадает в клетку вместе с набором полимераз, которые являются ферментами, необходимыми для репликации вируса.
Полимеразы обычно «читают» генетический план РНК для синтеза мРНК, что затем приводит к образованию вирусных белков и репликации вируса: больше вирусных частиц.Но в вирусах NNS RNA нить РНК покрыта бусообразными белками, не позволяющими полимеразам считывать РНК и запускать процесс репликации. Тем не менее, вирусные полимеразы каким-то образом эволюционировали, чтобы читать, транскрибировать и реплицировать геном РНК, скрытый под белковыми шариками.Что обнаружило исследование
Ранее исследователи полагали, что вирусные полимеразы работают аналогично полимеразам внутри наших клеток, которые свободно перемещаются внутри клетки и находят нужный конец ДНК, чтобы начать репликацию.Но на начальном этапе исследования, проведенного с реальным VSV, вирусом домашнего скота, Бендженнат показал, что полимеразы, прикрепленные к покрытой шариками РНК вируса домашнего скота VSV, были настолько плотно связаны, что не могли плавать в клетке, чтобы найти правильный конец. РНК, чтобы начать ее чтение.«Наша команда была озадачена, как эти полимеразы находят место, где они должны начать работать, если они так плотно прилипают к шарикам на РНК, что большинство из них даже не может оторваться?» — говорит Саффариан.
Поэтому Тан использовал компьютерное моделирование, чтобы проверить 20 000 различных условий, которые могли возникнуть, когда РНК вируса домашнего скота считывалась и транскрибировалась в мРНК на первых этапах репликации вируса. Моделирование основывалось на текущих знаниях о том, сколько работы полимеразы выполняют в течение первого часа после заражения клетки VSV, и что каждый вирус несет около 50 идентичных молекул полимеразы, которые используются для считывания и копирования вирусной РНК в мРНК. Тан искал механизм — набор условий — который лучше всего соответствовал бы скорости настоящей инфекции VSV.
Тан «обнаружила, что, что бы она ни пыталась, эти вирусные полимеразы должны иметь возможность довольно быстро скользить по покрытым шариками РНК геномам, чтобы выполнить любую значимую работу» в направлении репликации, — говорит Саффариан. «Они не могут диссоциировать [отделиться от РНК], но они могут скользить. Это помогает полимеразам найти, где они должны начать работу в конце РНК».
Исследование также показывает, что по мере того, как полимераза считывает и транскрибирует нить РНК в виде гранул, она сталкивается со скользящими полимеразами и переводит их в раствор внутри клетки, что позволяет им в конечном итоге связываться с правильным концом РНК, где они также начинают ее транскрибировать. к мРНК для репликации.