Группа ученых из Мичиганского университета и Университета Пердью обнаружила ключевой аспект как репликации вирусов в клетках своего хозяина, так и того, как они манипулируют иммунной системой по мере своего распространения.В исследовании, опубликованном в Интернете 6 февраля в журнале Science, исследователи под руководством Джанет Смит из Института естественных наук Университета штата Мэриленд впервые описывают структуру белка, который помогает вирусам размножаться и распространять инфекцию.
«Наблюдение за дизайном этого ключевого белка обеспечивает мишень для потенциальной вакцины или даже терапевтического препарата», — сказал Смит.Белок NS1 вырабатывается внутри инфицированных клеток, где он играет ключевую роль в репликации вируса. NS1 также попадает в кровоток, где он может помочь скрыть инфекцию от иммунной системы пациента и может играть роль в кровотечении, которое наблюдается при тяжелой инфекции вируса денге.Вирусы денге и Западного Нила являются членами семейства флавивирусов, в которое входят вирусы желтой лихорадки и несколько вирусов энцефалита.
По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, денге, который стал проблемой общественного здравоохранения в 1950-х годах, является эндемическим заболеванием в большинстве стран экваториального пояса и зарегистрирован на юге Соединенных Штатов. Вирус Западного Нила впервые появился в Северной Америке в 1999 году и быстро распространился по всем 48 смежным штатам, при этом в 2013 году было зарегистрировано около 3000 случаев.
Ежегодно лихорадка денге поражает до 400 миллионов человек во всем мире.Смит и ее коллеги создали изображения белка с помощью рентгеновской кристаллографии, метода, который использует рентгеновские лучи для картирования положений атомов в кристалле.«Выделение белка с целью его изучения было сложной задачей для исследователей», — сказал Смит. «Как только мы узнали, как это сделать, он красиво кристаллизовался».
Исследователи изучали этот белок в течение многих лет, потому что и его роль в репликации, и его уникальное высвобождение в кровоток делают его мишенью для лечения инфекции, сказал Ричард Кун, профессор и руководитель отдела биологических наук и директор Джеральда и Эдны Манн. Bindley Bioscience Center в Университете Пердью.«Наличие структуры NS1 — огромный шаг вперед в понимании и использовании белка в наших интересах», — сказал Кун, возглавлявший команду Purdue, участвовавшую в работе. «Понимание того, как устроен белок, обеспечивает более легкий путь к пониманию его роли в жизненном цикле вируса. Теперь мы знаем, на какие части белка нужно воздействовать при разработке лекарства, чтобы остановить его и остановить развитие инфекции».
Исследователи обнаружили, что NS1 имеет трехмерную структуру с двумя различными сторонами: одна обращена к системе репликации вируса внутри клеток, которые он заражает, а другая — к иммунной системе вне инфицированных клеток.«Две стороны NS1 определяют регионы, ответственные за его две основные функции», — сказал Смит. «Это понимание послужит ориентиром для будущих исследований по анализу и нацеливанию на эти регионы при лечении или профилактике заболеваний».Денге представляет собой особые проблемы для исследователей, работающих над разработкой вакцины. Заболевание вызывается одним из четырех связанных вирусов, передаваемых комарами.
У людей, инфицированных одним типом, обычно развиваются легкие симптомы гриппа, хотя часто возникают сильные боли в мышцах и суставах.Однако, если впоследствии укусит комар, являющийся носителем другого из четырех типов, второй контакт может привести к серьезному заболеванию и смерти.
По словам Смита, этот «один-два удара» значительно усложняет разработку вакцины.«Мы не хотим подготавливать людей к тяжелой болезни денге, доставляя им первый контакт с вирусом в виде вакцины», — сказала она.Получение более четкого представления о том, как белок NS1 взаимодействует с иммунной системой и влияет на болезнь, может проложить путь исследователям к разработке вакцины, которая защищает людей — без непреднамеренного увеличения их риска.«Теперь, когда мы понимаем структуру белка, мы можем манипулировать им, чтобы исследовать определенные функции», — сказал Кун. «Это может привести к предотвращению любого вредного прайминга иммунной системы».
По словам Смита, для исследования потребовались различные знания и опыт ряда ученых. Сначала исследователи из лаборатории Смита кристаллизовали белок в Центре структурной биологии LSI.
Затем они поместили кристаллы в рентгеновский луч в усовершенствованном источнике фотонов в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, чтобы создать карту белка. Они использовали карту, чтобы построить трехмерную структуру с атомарными деталями.Лаборатория Георгиоса Скиниотиса, также находящаяся в LSI U-M, использовала электронную микроскопию, чтобы показать, как NS1 связывается с мембранами инфицированной клетки, что, как подозревали исследователи, может быть связано как с репликацией вируса, так и с уклонением от иммунитета.
Лаборатория Куна в Пердью показала, как эта мембранная ассоциация имеет решающее значение для репликации вируса внутри клеток.«Сейчас мы сотрудничаем с вирусологами Purdue, чтобы точно понять, как две стороны NS1 помогают вирусу выжить и процветать у пациентов», — сказал Смит. «Эти исследования — следующие шаги на пути к вакцине или противовирусному препарату».