Исследовательская группа, разрабатывающая методы автоматической молекулярной микроскопии в Институте Скриппса (Калифорния, США), добилась значительных успехов в понимании механизма размножения вируса гриппа внутри инфицированной клетки. Используя новейшие методы молекулярной биологии и электронно-микроскопического сканирования, вирусологам впервые удалось рассмотреть вирусную РНК-белковую машинерию с беспрецедентной точностью, позволяющей увидеть вирусные РНК-белковые комплексы в момент саморепликации, и обнаружить уязвимости этого процесса, которые можно использовать при разработке новых антивирусных лекарств.
Описание использованных методов и полученные детальные изображения инфекционного вирусного рибонуклеопротеида, представляющего собой молекулярный комплекс нуклеиновой кислоты (генетической программы вируса), вирусных белков и специальных энзимов, необходимых для изготовления копий вирусного материала и образования следующего поколения вирусов, группа опубликовала в Science.
Изучение свойств и структуры вирусного инфекционного рибонуклеопротеида является одной из фундаментальных проблем вирусологии.
Ядро многих вирусов гриппа состоит из восьми рибонуклеопротеидов (РНП) — молекулярных машин, позволяющих вирусам проникать в хозяйские клетки, выживать и размножаться. Каждый РНП, напоминающий по форме спутанный клубок из длинных органических молекул, содержит сегмент РНК — кусочек вирусного генома, заключенный в защитную оболочку из белков. К свободным концам этого клубка «подшиты» молекулы вирусной полимеразы — энзима, выполняющего две важные функции в процессе размножение вируса: изготовление копии РНК (генетической программы вируса) и транскрибирование этой программы для производства вирусных белков на хозяйских клеточных рибосомах.
Вирусные полимеразы не только играют важнейшую роль в распространении инфекции, но и служат своеобразными блокираторами, препятствующими, например, заражению млекопитающих вирусом птичьего гриппа. Изменение в результате мутаций некоторых ключевых элементов в молекулярной структуре полимеразы может снять этот видовой барьер, поэтому изучение РНП и полимераз очень важно ввиду большой потенциальной опасности птичьего гриппа для людей.
Теперь, благодаря детальным изображениям, полученным группой из Института Скриппса, стало понятнее, как именно взаимодействуют полимеразы с остальной частью РНП.
Подсмотреть за «застигнутым врасплох» вирусом, достигнув детальной прорисовки вирусного РНП, отвечающего за репликацию вирусного материала внутри зараженной клетки, вирусологи хотят давно, но задача оказалась крайне сложной. РНП вируса гриппа представляют собой громоздкие и очень нестабильные молекулярные комплексы, которые непросто воспроизвести лабораторно в достаточных для изучения количествах. В результате вирусологам приходилось иметь дело с укороченными версиями РНП, которые лишь приблизительно соответствовали реальным инфекционным РНП гриппа.
Группа из Института Скриппса подошлао к решению этой проблемы системно и разработала многопоточный клеточный конвейер, производящий все белки, энзимы и компоненты РНК, необходимые для сборки, также осуществляемой внутри лабораторных клеток, полноценных вирусных РНП. В итоге удалось выделить из клеток достаточное количество рибонуклеопротеидных комплексов и сделать детальный анализ структур десятков тысяч вирусных РНП с помощью электронного микроскопа.
Технологический процесс, разработанный группой, проще, занимает меньше времени и требует меньше клеточного материала по сравнению с другими способами изучения РНП. Но главным результатом работы стала точная модель РНП.
Эта модель позволила детально рассмотреть, как именно вирусная полимераза прикрепляется к участкам РНК — генетическому шифру вируса, как она осуществляет транскрипцию вирусных генов и как помогает создавать следующие копии вирусного РНП. Благодаря достигнутому разрешению, удалось также рассмотреть новые, ранее неизвестные структуры — дополнительные ветвистые отростки от РНП, «выращиваемые» в процесс репликации, назначение которых пока неясно.
Стали ясны и потенциально слабые места молекулярной вирусной машины.
Так, субъединица полимеразы, отвечающая за чтение сегмента вирусной РНК, в этот важный для успешной транскрипции момент должна определенным образом изменить свою пространственную форму, и если каким-либо образом помешать ей в этом (например, с помощью ферментов), транскрипция остановится — вирус перестанет размножаться.
Таким образом, выращивая вирусные машины внутри лабораторных клеток, можно изучать вирусы, не ставя эксперименты на млекопитающих (как показала недавняя история с заражением хорьков вирусом птичьего гриппа, такие исследования могут провоцировать довольно неприятные скандалы). Впрочем, как показал скандал с попыткой цензурировать статьи голландских ученых, работавших с хорьками, вирусологи едины во мнении, что в изучении вирусов и эффективном предупреждении пандемий гриппа необходимо использовать оба метода.