Вирусы обычно описываются как крошечные геометрические оболочки, в которых генетический материал упакован с математической точностью. Однако новое исследование под руководством учёных из Пенсильванского государственного университета выявило преднамеренный дисбаланс в их форме, который помогает им инфицировать хозяев.
Открытие, по словам исследователей, не только проливает свет на фундаментальную стратегию вирусов, но и открывает возможности для разработки противовирусных препаратов и технологий молекулярной доставки, критически важных для вакцин, терапии рака, разработки лекарств и редактирования генов.
Команда опубликовала свои выводы в журнале Science Advances и подала заявку на патент, связанную с открытием.
«Вирус не имеет органов чувств, поэтому он использует химические сигналы, чтобы определить, как реплицировать свой генетический материал в новые вирусные пакеты или сборки с точной полярностью», — сказал Ганеш Ананд, доцент кафедры химии, биохимии и молекулярной биологии в Пенсильванском государственном университете и ведущий автор исследования.
«Эта полярность направляет РНК, генетический материал вируса, который позволяет инфекции распространяться. И наше исследование показывает, что асимметрия придаёт вирусу эту необходимую полярность. Вирусы встраивают эти тонкие несовершенства в свои оболочки, чтобы контролировать, как и где упаковывается их генетический материал и как он выходит во время инфекции», — пояснил Ананд.
Исследователи использовали передовые методы визуализации для изучения архитектуры вируса турнепса (TCV). Этот патоген растений имеет икосаэдрическую — двадцатигранную — оболочку, аналогичную многим патогенам человека, таким как энтеровирусы, норовирусы, полиовирус, вирус гепатита B и вирус, вызывающий ветряную оспу.
Они обнаружили, что икосаэдрические вирусы используют одну химическую связь, чтобы нарушить равновесие внутри своих белковых оболочек и направить высвобождение РНК для инфицирования хозяев. Эта связь, называемая изопептидной связью, соединяет два структурных белка, которые вносят вклад в оболочку вируса, и создаёт едва заметную асимметрию, которая объединяет РНК вируса на одной стороне частицы, обеспечивая выход генетического материала в одном направлении при инфицировании хозяина.
Это можно сравнить с поддельной игральной костью, сказал Ананд, имея в виду игральные кости, которые тайно утяжелены с одной стороны и используются для обмана в играх.
«Когда вирус попадает в клетку и начинает распадаться, эта конструкция „поддельной игральной кости“ обеспечивает выброс генетического материала через определённую точку выхода — быстро и в правильном направлении — чтобы он мог немедленно захватить механизм хозяина для производства большего количества вирусов», — сказал Ананд.
За эту «поддельную игральную кость» отвечает одна крошечная изопептидная связь, объяснил он. Она действует как своего рода молекулярный шарнир или ремешок, закрепляя РНК на одной половине частицы и слегка нарушая баланс, чтобы создать подпружиненный геном. Когда вирус попадает в клетки хозяина и начинает распадаться, РНК выбрасывается через определённую точку выхода.
«РНК не просто плавает вокруг», — сказал Ананд. — «Она расположена именно там, где рибосомы растения, производители белков, могут её захватить. Это позволяет вирусу немедленно начать производить свои собственные белки, прежде чем растение сможет организовать защиту».
Команда запечатлела этот ранее невиданный момент — частично расширенный вирус, готовый к выходу, — используя два передовых метода визуализации, которые могут отслеживать микромасштабные изменения внутри клеток: криоэлектронную микроскопию и масс-спектрометрию с водородно-дейтериевым обменом.
«Мы смогли увидеть полярность частицы, и она оказалась расположенной очень близко к тому месту, где РНК, казалось, хотела выйти», — сказал Варун Венкатакришнан, докторант Пенсильванского государственного университета и соавтор статьи, который руководил аспектами работы, связанными с криоэлектронной микроскопией.
«Этот механизм „поддельной игральной кости“, который мы обнаружили, — это не просто уловка вируса растения. Это может быть универсальная стратегия того, как эти типы вирусов упаковывают себя», — добавил Венкатакришнан.
Для вирусов человека, вызывающих простуду или даже менее распространённые заболевания, высвобождение РНК является критически важным этапом. Многие вирусы, такие как полиовирус или энтеровирусы, имеют икосаэдрические оболочки и должны выбрасывать свою РНК в нужное время и в нужном месте внутри клетки хозяина.
Если бы они могли исказить этот процесс, как это делает вирус турнепса, они бы получили скорость и точность, необходимые для уклонения от иммунной защиты, сказал Венкатакришнан.
Поиск способа нарушить процесс высвобождения РНК путём воздействия на асимметричные особенности, такие как изопептидная связь в вирусе турнепса, может привести к новым противовирусным терапиям или улучшению РНК-терапии, препаратам, которые предотвращают инфекции и аутоиммунные расстройства, объяснил Шон Браэт, постдокторский исследователь в Пенсильванском государственном университете и соавтор статьи.
«Это может означать разработку вакцин, которые высвобождают РНК именно там, где это необходимо, рядом с механизмом производства белков, чтобы уменьшить деградацию и повысить эффективность вакцины», — сказал Браэт.
Противовирусные препараты, специально разработанные для лечения вирусных инфекций, такие как осельтамивир от гриппа, могут быть разработаны для связывания с этими асимметричными участками, добавил он, дестабилизируя форму оболочки и предотвращая поддержание вирусом своего подпружиненного состояния. Это затруднило бы вирусу репликацию и развитие устойчивости внутри хозяина.
«Все эти исследования находятся на переднем крае и проводятся прямо сейчас», — сказал Ананд. — «У нас есть многообещающие результаты».
Другие соавторы из Пенсильванского государственного университета — Молли Клосон, студентка бакалавриата в Шрейерском колледже с отличием по специальности «химия», и Татьяна Лармор, директор Центра протеомики и масс-спектрометрии Университета.
Ранита Рамеш и Сек-Ман Вонг из Национального университета Сингапура также внесли свой вклад в работу.
Предоставлено Pennsylvania State University.
Другие новости по теме
- Путь биосинтеза глицитеина проливает свет на устойчивость сои к болезням
- Лекарства, порошки и опиоиды вызывают стресс у личинок устриц
- Певчие птицы обмениваются генами яркого оперения между видами
- Почему некоторые животные едят своих детёнышей
- «Самоактивация» — часть стратегии успеха растений-паразитов
- Шведские пресноводные бактерии раскрывают утраченные гены и неожиданные способности к фотосинтезу
- Редкое цветение пальм в Рио
- Зуб морской рептилии указывает на то, что мозазавры могли обитать в пресной воде.
- Белые медведи адаптируются к более тёплому климату, говорится в исследовании
- Исследователи обнаружили новое взаимодействие белка и РНК, которое может помочь в лечении рубцевания тканей
Другие новости на сайте
- Взрослые в Германии лучше решают сложные задачи, чем их сверстники в других странах, показало исследование
- Новое средство для культивирования стволовых клеток собак, не содержащее человеческих компонентов
- ДНК-оригами на кремнии открывают новые возможности для крупномасштабного нанопроизводства
- Исследователи обнаружили труднодоступные «линии сдвига», провоцирующие дожди на Филиппинах
- В Смитсоновский институт отправляется «впечатляющий» купол-череп динозавра
- Обратные связи от нефтяных месторождений ускоряют потепление в Арктике и другие изменения в атмосфере, показывает исследование
- Атомные контакты Джозефсона: как конденсаты Бозе-Эйнштейна воспроизводят шаги Шапиро
- Разрыв при землетрясении вдоль главного разлома Мраморного моря движется в сторону Стамбула
- Путь биосинтеза глицитеина проливает свет на устойчивость сои к болезням
- Виолончель, напечатанная на 3D-принтере, придаёт классике карбоновый оттенок