В исследовании, проведенном Университетом Делавэра и Медицинской школой Университета Питтсбурга, исследователи обнаружили «тормоз», который препятствует превращению ВИЧ в инфекционного агента. Этот механизм предотвращает образование капсида — белковой оболочки, покрывающей вирус.Открытие, опубликованное в Nature Communications, было сделано междисциплинарной исследовательской группой из UD, Медицинской школы Университета Питтсбурга, Университета Иллинойса, Национального института рака, DFH Pharma и Медицинского центра Университета Вандербильта. Результаты основаны на семи годах мучительно подробных исследований структуры и динамики ВИЧ на ранних и поздних этапах его жизненного цикла.
Движение молекул вируса было измерено экспериментально и смоделировано с точностью до квадриллионных долей секунды — это намного быстрее, чем моргание глаза или взмах крыльев колибри.«Раньше люди были зациклены на статических структурах вирусов, но они не являются твердыми как скала», — сказала Татьяна Поленова, профессор кафедры химии и биохимии Университета штата Вашингтон. Она является экспертом в области спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), которая помогает ученым идентифицировать и точно определять местоположение каждого атома в структуре и то, как каждый атом движется.
«Вирусы, такие как ВИЧ, и составляющие их молекулы белков и нуклеиновых кислот, являются динамическими объектами, которые постоянно расширяются и сжимаются», — добавила она. «Их движения подобны дыханию».По словам Поленовой, молекулы вируса ВИЧ действуют согласованно, но внутри каждой молекулы движения происходят в разных временных масштабах, что, конечно, сложно смоделировать. Но это не слишком сложно для Хуана Периллы, который поступил на факультет UD в качестве доцента в июне этого года.
Биофизик, занимающийся количественными исследованиями, Перилла создал первые структурные модели ВИЧ в качестве ученого-исследователя в Университете Иллинойса. Сегодня в UD он регулярно использует одни из крупнейших в мире суперкомпьютеров для моделирования вируса ВИЧ и его многих движущихся частей.Как предотвратить созревание вирусаПо мере развития вируса ВИЧ происходит каскад событий, влияющих на его структуру и способность инфицировать.
Вспомните кулинарное телешоу «Рубленый». Но в этом случае строительные блоки белка методично «отщепляются» от более крупного основного белка, называемого Gag.Объединив самые современные методы, включая твердотельный ЯМР и ЯМР в растворе, компьютерное моделирование высокого класса и криоэлектронную микроскопию (за что ранее этой осенью была присуждена Нобелевская премия), исследователи ответили на давний вопрос о том, как происходит заключительный этап созревания вируса — процесс, в котором неинфекционный незрелый вирион превращается в инфекционную вирусную частицу.
Команда обнаружила, что ключевой пептид — спейсерный пептид 1 (SP1) — должен находиться в высокомобильной структуре, чтобы быть разрезанным вирусной протеазой, ферментом, который действует как расщепитель. При моделировании пептид напоминает тонкую пряжу, прикрепленную к винтам скрученных лент в постоянном движении.«Этот пептид всегда присутствует на заключительном этапе созревания, но мы были удивлены, что он настолько беспорядочный и динамичный», — сказала Поленова.
После разрезания пептида SP1 вирус ВИЧ образует свой защитный капсид и становится заразным. Но как остановить этот процесс? В групповых экспериментах в Университете Питтсбурга под руководством Анджелы Гроненборн было показано, что ингибитор против ВИЧ Бевиримат взаимодействует с пептидом SPI, предотвращая, таким образом, развитие капсидной «оболочки» вируса.Обращение к потенциальным мишеням для лекарств, чтобы не дать ВИЧ стать заразным путем нарушения созревания вируса, является постоянной целью команды.
«Мы должны иметь представление об этих кратковременных молекулярных колебаниях и процессах — расщепления белков и образования капсидов», — сказал Перилла. «Чтобы добавить ингибиторы капсида нового поколения для предотвращения ВИЧ, у вас должно быть очень конкретное время и скорость, с которой эти препараты будут действовать».Перилла и Поленова также заявили, что критически важна обширная команда людей, включая экспериментаторов и ученых-вычислителей, которые обладают опытом в различных биофизических методах, таких как ЯМР и крио-ЭМ, а также в дисциплинах структурной биологии, биофизики, биохимии и вирусологии.«Эта работа была бы невозможна без наших совместных усилий — я говорю своим студентам, что им нужно научиться сотрудничать с людьми в других областях», — сказала Поленова.
Также критически важно, по ее словам, наличие передовой инфраструктуры высокопольного ЯМР в Университете Делавэра и в центрах ЯМР сверхвысокого поля в США, включая Национальную лабораторию сильного магнитного поля, и на международном уровне, например, Национальную лабораторию ЯМР. Центр научных исследований в Лионе, Франция, куда Поленова и ее ученики едут для проведения экспериментов по ЯМР.Она и Перилла благодарят Анжелу Гроненборн, их сотрудницу в Университете Питтсбурга, за преобразование их работы с помощью Питтсбургского центра взаимодействий с белками ВИЧ, национального исследовательского центра, который Гроненборн основал около десяти лет назад при финансовой поддержке Национальных институтов здравоохранения.
«Наука уходит от единственного ученого, который может смотреть на вещи с атомным разрешением», — сказала Поленова. «Это больше не ситуация, когда нужно заниматься чем-то одним как один следователь. Теперь мы все собрались вместе».Исследование финансировалось Национальным институтом здоровья.
Помимо Поленовой и Периллы, в число других авторов статьи из UD входили докторант Минчжан «Мэйпл» Ван, штатные ученые Кейтлин Куинн и Гуанцзинь Хоу, а также постдокторанты Хуэйлан Чжан и Кристофер Суйтер — все из Департамента химии и биохимии UD. Среди авторов из Медицинской школы Университета Питтсбурга были Анджела Гроненборн, Рэндалл Ширра-младший, Ин-Чжа Бён и Пейджун Чжан.
Эрик О. Фрид из Национального института рака, Теодор Дж. Нитц из DFH Pharma и Клаус Шультен из Университета Иллинойса также были соавторами.