Поксівіруси та вакцини: що вібувається всередині клітин?

Дослідники розглядають нові засоби бороьби з поксвірусами. Саме до цієї групи відноситься вірус віспи та його різновид, що використовується в якості вакцини.

Нове дослідження демонструє, наскільки складною може бути взаємодія вірусів з клітиною.

Знайомий та вірус

Віспа – захворювання, відоме людству з давніх давен. Вірус віспи та його численні родичі вражають не тільки людину, але й безліч інших тварин. Крім того, віспа – одне з перших вірусних захворювань, проти якого ми знайшли надійний засіб протидії. Ним виявився інший вірус з родини поксвіридів, щеплення яким сприяє утворенню в людини імунітету.

Вірус віспи
Знімок віріонів віспи, отриманий за допомогою електронної мікрографії. Структури у вигляді “гантелей” всередині віріонів – це віральна ДНК, яка забезпечує реплікацію в клітині господаря. Джерело: CDC/ Dr. Fred Murphy; Sylvia Whitfield

На сьогоднішній день, за інформацією ВООЗ, віспа вважається подоланою. Та попри це, коли мова заходить про біологічну зброю, то однією з перших згадують саме віспу. Тож не випадково дослідження вірусу віспи продовжуються, і вчені відкривають все більше цікавих фактів про поксвіруси.

Як білки клітини ремонтують ДНК вірусу

Зі зрозумілих причин, працюють вони все з тим самим Vaccinia virus (вірус коров’ячої віспи), який використовують для щеплень. Як і усі поксвіруси, після проникнення в клітину він не намагається дістатися ядра та вбудуватися у клітинну ДНК. Натомість він починає розмножуватися безпосередньо у цитоплазмі клітини.

Поксвірус диск

Протеїн, залучений до циклу реплікації вірусу противіспової вакцини (зелені крапки), та віральні фабрики з реплікації вірусу (пурпурний) в цитоплазмі.

Джерело: The Francis Crick Institute

Досі вважалося, що віруси віспи для цього використовують тільки власні протеіни. Однак у травні 2017 року вчені з Інституту Френсіса Кріка опублікували дослідження, згідно з яким Vaccinia virus все ж використовує один досить цікавий протеїн, який міститься в самій клітині. Мова йде про ATR – серин/треонінову протеінкіназу. Ця молекула під час копіювання ДНК, коли вона являє собою одинарний ланцюжок, відстежує порушення в структурі та сигналізує про них іншим протеїнам.

Дослідники встановили, що Vaccinia virus використовує ATR у власному цилі реплікації так само, як це робить клітина, тобто фактично – сама клітина слідкує за станом ДНК вірусу, який до неї “підселився”.

Практичне значення

Це дослідження важливе тим, що дозволяє вченим рухатись одночасно у двох напрямках. З одного боку, Vaccinia virus тепер можна використовувати в якості модельного об’єкта при вивченні процесу ремонту ДНК, який у звичайній клітині не так вже й легко спостерігати. З іншого боку, це дозволить розробити нові методи боротьби з самою віспою. Адже крім звичайного вірусу віспи існує ще кілька видів, які потенційно можуть бути небезпечними для людини, і від яких досі немає надійного захисту. Така ситуація спостерігається з вірусом віспи мавп.

Дитина з висипом на шкірі від звичайної віспи.

Джерело: CDC

Традиційно ціллю для противовірусних засобів, які розробляються проти поксвірусів, виступають саме вірусні протеїни. Обмеженість взаємодії цих молекул із протеїнами клітини викликає складності зі знаходженням таких речовин, які б їх надійно блокували, не створюючи проблем для самої клітини. “Перенацілювання” на внутрішньоклітинні протеїни дозволяє одразу враховувати всі побічні впливи.

Поксвіруси та цитоскелет

Пастка для vaccinia virus
Новоутворені частинки Vaccinia virus (червоні) захоплені септиновими ґратками на краю клітини людини. Джерело: Pfanzelter et al., 2018

Не минуло й року з часу виходу цього дослідження, як з’явилося інше з того ж дослідницького інституту. Вчені змогли встановити, що взаємодія Vaccinia virus з клітиною, яку він вражає, є значно складнішою, ніж досі вважалося. Після розмноження в цитоплазмі клітини, вірус віспи або противіспової вакцини рухається не довільним чином, а використовує структури цитоскелету, які являють собою полімерні ланцюжки з білків, що динамічно змінюються.

Виявляється, що одна зі складових цитоскелету – мікротрубочки –використовується вірусом у якості транспортної системи, щоб дістатися клітинної мембрани і вийти назовні. При цьому деякі частинки не викидаються назовні, а залишаються причепленими до клітинної мембрани і збирають навколо себе молекули білків актинів, які також беруть участь у формуванні цитоскелету. З цих молекул віруси формують довгі “хвости”, які дозволяють їм безпечно діставатися інших клітин, не розриваючи до самого кінця зв’язку з тією клітиною, де вони були репліковані.

Ґрати для вірусу та війна “наномашин”

Але найцікавіше у цьому дослідженні те, що білки клітини виявилися не тільки “жертвою”, яка активно допомогає поксвірусам діставатися інших клітин. На відміну від актину та білків, що формують мікротрубочки, які утворюють у клітині протяжні структури, септини будують кільцеві структури. Виявилося, що ці білки активно пручаються дії вірусу, формуючи навколо його частинок своєрідні молекулярні ґрати, які не дають вірусам втекти з клітини.

Дослідники інституту Френсіса Крика виявили, що інфіковані клітини можуть захоплювати віруси в ґратках з білка. Однак частинки вірусу можуть використовувати інші білки, щоби втекти з пастки. Джерело: Pfanzelter et al., 2018

Формування такої ґратки відбувається одразу після утворення нової частинки вірусу. Зі свого боку вірус намагається вирватися з пастки, використовуючи інші білки: динамін, актин та ряд інших. Таким чином, у клітині відбувається боротьба, результат якої досить важко передбачити.

Попри те, що вірус віспи не втручається безпосередньо в реплікацію ДНК самої клітини, характер його взаємодії з клітиною вкрай складний. Процеси, які при цьому відбуваються можна розглядати як своєрідну “війну наномашин”.

Як примусити клітину рухатися?

Дослідження, опубліковане у листопаді 2018 року, показало, що така війна може переходити і в макромасштаб. Вчені знову спостерігали за Vaccinia virus. Виявилося, що заражені ним клітини починають рухатися, чим дуже сприяють його розповсюдженню. При цьому, вірусу якимось чином вдається не лише примусити клітину рухатися, але й керувати її швидкістю та напрямком руху.

Вчені запідозрили, що вірус вакцини вводить в оману рецептори клітини, переконуючи її, що в організмі відбувається ріст епідермісу, і тому треба рухатися на нове місце. Для цього частинки вірусу виробляють білок VGF, який дуже схожий на фактор росту епідермісу. В результаті цього, клітини починають рухатися в одному напрямку, активно розповсюджуючи віруси. У “дикого” вірусу віспи цей процес закінчується формуванням великої кількості пухирців на шкірі, які у минулі сторічча назавжди залишали сліди на тілах людей, які перехворіли на віспу.

Щоб перевірити цю теорію, вчені штучно позбавили вірус вакцини здатності продукувати VGF-фактор та поставили експеримент на мишах. Порівняння розповсюдження вірусу в тілах, що були інфіковані модифікованим та немодифікованим вірусами показало, що перший майже втрачає здатність інфекувати нові клітини. Тобто теорія про механізм керування клітиною виявилася вірною.

Найцікавіше ж те, що спосіб у який віруси примушують клітину рухатися, виявився таким самим, що й в купи інших вірусів. Він також схожий на той механізм, за яким рак формує в організмі метастази. Тобто розуміння цього механізму в майбутньому може допомогти розробити комплексний підхід в боротьбі одразу з кількома небезпечними недугами.

Як завжди, мета полягає у тому, щоби виявити в механізмі розповсюдження саме ту ланку, вибивши яку ми зруйнуємо “шкідливий” біологічний процес, не нашкодивши “правильному”.

Бурхливі наносвіти

Усі ці дослідження, крім практичної цінності, мають ще декілька наслідків, які стосуються нашого світогляду. По-перше, ми вкотре переконалися, що якщо уважно придивитися до чогось добре відомого, то можна побачити світ, якого раніше не помічали. Ми вже не одне десятиліття боремося з одним із найдавніших ворогів людства за допомогою вакцин. А про те, що вони взаємодіють з клітиною настільки складним чином, досі не мали уявлення.

По-друге, завдяки дослідженням поксвірусів ми змогли заглибитися у наносвіт. Вже кілька десятиліть деякі дослідники говорять про наномашини, які будуть працювати з матерією на рівні окремих молекул. Досі усі ці проекти залишалися фантазіями, адже такі машини дуже сильно відрізняються від усього, що людство конструювало відтоді, як хтось вперше застосував важіль для пересування важкого об’єкту. Тож ми навіть не могли з впевненістю сказати, чи зможе машина розміром менше за 1 мікрон цілеспрямовано виконувати одразу декілька функцій, впливаючи при цьому на макросвіт помітним чином.

Дослідження поксвірусів показало, що це дійсно можливо. Ми навіть побачили, як це може відбуватися. Білки як клітин, так і вірусів у різних ситуаціях здатні взаємодіяти між собою різним чином, призводячи до тих чи інших результатів. І можливо, ми колись зможемо керувати процесами в клітинах нашого організму з такою ж вправністю, як це роблять поксвіруси та навіть краще.

Cell Reports (2017), doi: 10.1016/j.celrep.2017.04.025; Journal of Cell Biology (2018), doi: 10.1083/jcb.201708091; Nature Microbiology (2018), doi: 10.1038/s41564-018-0288-2.

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Олександр Бурлака
  • 63 записів
  • 0 дописів
Олександр займається популяризацією науки, веде блоги та працює викладачем у Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка. Має ступінь кандидата технічних наук.