Цивилизация
Когда Вильгельм Конрад Рентген приложил снимок кисти своей жены с обручальным кольцом на пальце к статье «О новом роде лучей», он, конечно, и представить не мог, каких высот достигнут технологии исследования материи с помощью X-ray, как их традиционно называют в иностранной литературе с подачи самого автора открытия. Между тем сейчас уже почти всем пациентам доступно исследование методом рентгеновской томографии (в медицинской практике она называется компьютерной, КТ), рентгеноструктурный анализ является основным методом определения структуры вещества в кристаллическом состоянии, синхротронное излучение позволяет определять структуры сложных биологических молекул, а теперь рентгеновские лучи помогают и в создании лекарства от ВИЧ.
Группа исследователей из Имперского колледжа Лондона и Гарвардского университета вырастила кристалл энзима, являющегося ключевым для вируса СПИДа, и определила его кристаллическую структуру. Их работу публикует Nature.
Фермент интеграза осуществляет встраивание рекомбинировавших сегментов ДНК в хромосому и является частью ретровирусов – в том числе и вируса иммунодефицита человека.
При заражении ВИЧ интеграза выполняет свою прямую функцию – вставляет копию определенной генетической информации из ДНК сцепленного с ней вируса в ДНК больного, «перепрограммируя» клетки и нарушая их функцию.
Этот механизм в целом был известен и ранее, однако детали его не удавалось выяснить, так как не удавалось определить точную трехмерную структуру аддукта интегразы и вирусной ДНК. Таким образом, современные антиретровирусные препараты, работа которых основывается на блокировании интегразы, до сих пор использовались фактически вслепую. Ученые не знали точного механизма воздействия этих лекарств на интегразу, так как не знали структуры фермента. Соответственно, возможности по улучшению лекарств были сильно ограничены – за неимением данных для выработки «разумного» подхода использовался лишь слепой поиск.
Точное определение структуры фермента в такой ситуации возможно лишь методом рентгеноструктурного анализа, а его проведение требует наличия монокристаллов вещества высокого качества. В случае «больших» биомолекул рост кристалла для анализа является самостоятельной задачей, по сложности соперничающей с самим определением структуры.
В ходе нового исследования биохимики вырастили кристалл интегразы из малоизвестного ретровируса Prototype Foamy Virus (PFV). Им удалось определить структуру этого фермента и изучить закономерности его функционирования. Структура и функции PFV интегразы очень сходны с ВИЧ-интегразой, поэтому полученные данные могут стать тем самым жизненно необходимым «недостающим звеном» в разработке лекарств против ретровирусов и их ферментов.
В течение четырех лет исследователи предприняли более 40 тыс. попыток, большая часть из которых ожидаемо не дали результатов. Удалось вырастить семь видов кристаллов, и только один оказался достаточно качественным для проведения рентгеноструктурного исследования и определения трехмерной структуры.
«Это действительно поразительная история. Когда мы начали работу, мы знали, что задача, стоящая перед нами, очень сложна. За нее брались многие группы по всем миру, и многие же уже отказались от попыток, сочтя цель недостижимой. По этой причине мы отбросили все накопленные данные и вернулись к начальным условиям. Мы отступили от исследования ВИЧ-интегразы и стали искать фермент, который мог бы быть ее подходящей моделью и был пригоден для кристаллизации. Несмотря на то, что изначально наши дотошные поиски двигались очень медленно и многие из идей оказались тупиковыми, в итоге нам все же удалось решить поставленную задачу – мы определили структуру PFV интегразы, которую можно считать схожим аналогом ВИЧ», — объяснил Питер Черепанов, ведущий автор исследования.
После того как ученым удалось вырастить кристаллы подходящего качества, они провели их анализ с помощью синхротронного излучения на источнике Diamond Light Source в Южном Оксфордшире. Использование мощного излучения позволило собрать рентгенодифракционные данные и определить трехмерную структуру энзима.
По завершении эксперимента кристаллы опустили в раствор двух препаратов, ингибирующих (блокирующих действие) интегразы — Raltegravir (Isentress) и Elvitegravir. В результате
ученым впервые удалось наблюдать, как лекарства связываются с ферментом и блокируют его действие.
Что касается самой структуры фермента, она оказалась отличной от того, что ожидали биохимики на основе косвенных исследований. Теперь же, когда известно точное строение «вредоносной» молекулы, открыта дорога к детальному исследованию действия антиретровирусных препаратов. После этого возможны работы по их улучшению, а также решение главной задачи – разработка препаратов, к которым ВИЧ уже не сможет выработать устойчивость.