Вирусен танц

Молекулярните биолози за първи път заснеха на видео процеса на проникване на ХИВ в клетката.

Екип от водещи виросулози в света заяви за фундаментален пробив в областта на изучаването на ХИВ – те са успели да заснемат на видео момента на заразата на клетката и да проследят измененията в триизмерната структура на обвивката на вируса на имунния дефицит в момента, когато той прониква през обвивката на клетката жертва.

Двете най-престижни научни списания – американското Science и британското Nature – са сметнали това откритие за толкова важно, че са публикували статиите с описание на детайлите на този процес в едно и също време.

„Практическото значение на създадената от нас технология (наблюдението на ХИВ) се заключава в това, че сега имаме шанс да разберем как протича този биологичен „танц“ между вируса и неговата жертва.

Засега сме успели да открием три варианта на това как „тризъбецът“ на вируса може да се закрепва за обвивката на клетката. Работим над подобряване на тази методика, за да достигнем резолюция, която е необходима за създаването на ваксина, способна да се бори с повечето разновидности на ХИВ“, разказва Скот Бланшар от Корнуелския университет в Ню Йорк.

Бланшар и почти 30 молекулярни биолози и вирусолози няколко години работили над създаването на принципно нова методика за научни наблюдения, която да им позволява да проследяват в реално време как вирусът на имунния дефицит пробива обвивката на имунните клетки и прониква в тях.

Общите детайли на това как ХИВ прониква в клетката и самата структура на „бойната му част“ са разкрити от учените още преди 16 години. И все пак детайлите на този процес все още остават почти неизвестни поради свръхсложното устройство на обвивката на ХИВ, състояща се от хиляди подобни една на друга тясно свързани и постоянно мутиращи части.

По днешни данни ХИВ прониква в клетките с помощта на белтъка gp120 и присъединяващите се към него къси молекули на друг пептид – gp41. Тези белтъци се зацепват за специфични израстъци на повърхността на клетките на имунната система, разкъсват обвивката и впръскват вътре генетичен материал.

„На повърхността на всяка ХИВ частица присъстват по 10-20 „тризъбеца“ от подобни молекули и те много бързо мутират, избягвайки реакция от страна на имунната система. Тази особеност на вируса е главната причина човешкият организъм да е неспособен да се справи с инфекцията и обяснява защо е толкова трудно да се създаде ваксина срещу ХИВ“, обяснява Бланшар.

Бързото темпо на мутации в структурата на gp120 и gp41 не е единственият проблем, пречещ на учените да разкрият тайните на механизма на зараза с ХИВ. Тези белтъци не могат да работят един без друг, поради което на учените се налага да следят работата на цялата вирусна частица, което многократно усложнява всички експерименти.

Трудности изпитват не само самите вирусолози, но и суперкомпютрите – едва миналата година най-мощният суперкомпютър Blue Waters в университета на Илинойс е успял да анализира микроснимки на вирусните частици и да събере пълноценен триизмерен модел на вируса.

Такъв модел не е достатъчен за разбиране на това как вирусът прониква в клетката – за 20 години неуспешни експерименти учените стигнали до извода, че е необходимо пряко да наблюдават това, което се случва в епруветка с вируса и неговите жертви.

Подобни опити допълнително се усложняват от това, че в хранителна среда заедно с ХИВ ще присъстват стотици хиляди, дори милиони ненужни молекули, които ще взаимодействат с клетките на имунната система и ще пречат на експериментаторите.

Екипът на Бланшар решил този проблем, модифицирайки самия вирус. Детайлите на този процес са описани в статия в Science. Нейните автори са прикрепили към gp120, gp41 и други компоненти от обвивката на ХИВ малки молекули на белтъчни оцветители, които светят при облъчване с лазер или обикновена светлина в определена честота на вълната. За откриването на тази методика на наблюдение на тайните на живия микросвят Ерик Бетциг, Щефан Хел и Уилям Мьорнер получиха на 8 октомври Нобелова награда за химия.

Постепенно изменяйки химичната структура на тези флуоресцентни знаци, които Бланшар нарича „фарчета“, вирусолозите успели да ги направят достатъчно ярки, за да могат да ги откриват датчиците на микроскопа, и в същото време неприсъстващи в светлината от съседните молекули.

Подобен подход позволил на учените да фокусират вниманието си върху това, което се случвало с частиците на вируса по време на заразяване, как се променяла тяхната структура и как взаимодействали те с клетките.

„Ние направихме всички движения на частиците на ХИВ видими за нас и сега можем да наблюдаваме в реално време как се държат белтъците на тяхната повърхност. Сега можем да разберем какво трябва да знаем, за да предотвратим сливането на вируса с обвивката на човешките клетки. И ако успеем да предотвратим проникването на ХИВ в имунните клетки, то можем да започнем да празнуваме победа“, продължава американският вирусолог.

Във втората статия, публикувана в Nature, Бланшар и колегите му са представили първите резултати от наблюденията на проникването на вируса в имунните клетки и публикували точни триизмерни модели на молекулите на повърхностните белтъци в момента на тяхното присъединяване към обвивката на имунните клетки.

Те успели да изяснят, че по време на сближаването на вируса с клетката тези белтъци, които в състояние на покой са стегнати в здрава „пъпка“, се разтварят и се превръщат в своеобразно молекулярно цвете с четири листенца във вид на молекула на белтъка gp41.

Тичинка на това вирусно съцветие се явява веригата gp120, която играе роля на предпазна система, която пречи на листенцата да се свият. Когато вирусът се сблъска с имунна клетка и се закрепи за белтъчните израстъци на нейната повърхност, тази предпазна система излита и молекулите gp41 започват своята работа. Те се свиват и изрязват отвор в клетъчната мембрана, след което слепват двата ѝ края с обвивката на вируса, което позволява на неговото ядро да проникне вътре.

„Тризъбец“ от белтъците gp120 и gp41, който помага на ХИВ да проникне в клетката в свито състояние.
© NIAID

Авторите се надяват, че човешката имунна система принципно е способна да се справи с вируса самостоятелно – оказва се, че механизмът на проникване на ХИВ в човешките клетки с нищо не се отличава от това, което правят много други вируси. За тази цел ѝ е нужна само помощ във вид на образец от тази част на вируса, която няма да се променя толкова бързо, и изследователите смятат, че тяхната методика и събраните от тях данни могат да го открият.

„Спешно ни е необходимо да открием варианти как да предотвратим заразата с ХИВ – вируса, който е заразил или вече е убил повече от 70 милиона души по цял свят. Ако нашият метод помогне да се справим с ХИВ и СПИН, той може потенциално да бъде използван за изучаване на това как ни заразяват други вируси“, заключава Бланшар.