Как ВИЧ проникает в клетки
Коллектив из ведущих вирусологов мира заявил о фундаментальном прорыве в области изучения ВИЧ: им удалось заснять на видео момент заражения клетки и проследить за изменениями в трехмерной структуре оболочки вируса иммунодефицита в тот момент, когда он проникает через оболочку клетки жертвы.
Два самых престижных научных журнала, американский Science и британский Nature, посчитали это открытие столь важным, что опубликовали статьи с описанием деталей этого процесса в одно и то же время.
«Практическое значение созданной нами технологии (наблюдений за ВИЧ) заключается в том, что теперь у нас появился шанс понять, как происходит этот биологический «танец» вируса и его жертвы. Пока нам удалось обнаружить три варианта того, как «трезубец» оболочки вируса может цепляться за оболочку клетки. Сейчас мы работаем над улучшением этой методики съемок для того, чтобы достигнуть разрешения, которое необходимо для создания вакцин, способных бороться с большинством разновидностей ВИЧ», — рассказывает Скот Бланшар из Корнеллского университета в Нью-Йорке.
Бланшар и почти три десятка молекулярных биологов и вирусологов на протяжении нескольких лет работали над созданием принципиально новой методики научных наблюдений, которая позволила бы им проследить в режиме реального времени за тем, как вирус иммунодефицита человека пробивает оболочку иммунных клеток и проникает внутрь них.
Общие детали того, как ВИЧ проникает в клетку, и сама структура его «боевой части» были раскрыты учеными еще 16 лет назад. Тем не менее детали этого процесса пока остаются почти неизвестными из-за сверхсложного устройства оболочки ВИЧ, состоящей из тысяч похожих друг на друга тесно взаимосвязанных и постоянно мутирующих частей.
По данным на сегодняшний день, ВИЧ проникает в клетки человека при помощи белка gp120 и присоединенных к нему коротких молекул другого пептида gp41. Эти белки цепляются за особые выросты на поверхности клеток иммунной системы, разрезают их оболочку и впрыскивают генетический материал внутрь.
«На поверхности каждой частицы ВИЧ присутствует по 10–20 «трезубцев» из подобных молекул, и они очень быстро мутируют, избегая реакции со стороны иммунной системы. Эта особенность вируса является главной причиной того, почему человеческий организм неспособен справиться с инфекцией, и объясняет то, почему вакцину от ВИЧ, эксплуатирующую уязвимости в оболочке вируса, создать крайне сложно», — объясняет Бланшар.
Быстрый темп мутаций в структуре gp120 и gp41 не является единственной проблемой, мешающей ученым раскрыть тайны механизма заражения ВИЧ. Эти белки не могут работать друг без друга, из-за чего ученым приходится следить за работой всей вирусной частицы в целом, что многократно усложняет все эксперименты. Причем сложности испытывают не только сами вирусологи, но и суперкомпьютеры — только в прошлом году мощнейший суперкомпьютер Blue Waters в университете Иллинойса смог проанализировать микроснимки вирусной частицы и собрать полноценную трехмерную модель вируса.
Такой модели недостаточно для понимания того, как вирус проникает в клетку: за 20 лет неудачных экспериментов ученые пришли к выводу, что для этого необходимо напрямую наблюдать за тем, что происходит в пробирке с вирусами и их жертвами.
«Трезубец» из белков gp120 и gp41, помогающий ВИЧ проникнуть в клетку, в свернутом состоянии.
Подобные опыты дополнительно усложняются тем, что в питательной среде вместе с ВИЧ будут присутствовать сотни тысяч и миллионов «ненужных» молекул, которые будут взаимодействовать с клетками иммунной системы и мешать экспериментаторам.
Группа Бланшара решила эту проблему, модифицировав сам вирус. Детали этого процесса были описаны в статье в Science. Ее авторы прикрепили к gp120, gp41 и прочим компонентам оболочки ВИЧ небольшие молекулы белковых красителей, которые светятся при облучении лучами лазера или обычным светом на определенной частоте волны. За открытие этой методики наблюдений за тайнами живого микромира Эрик Бетциг, Стефан Хелль и Вильям Мернер получили 8 октября Нобелевскую премию по химии.
Постепенно меняя химическую структуру этих флуоресцентных меток, которые Бланшар называет «маяками», вирусологи смогли сделать их достаточно яркими для того, чтобы их могли находить датчики микроскопа, и в то же время не перебивающими свет соседних молекул. Подобный прием позволил ученым сфокусировать свое внимание на том, что происходило с частицами вируса во время заражения, как менялась их структура и как они взаимодействовали с клетками.
«Мы сделали все передвижения частиц ВИЧ видимыми для нас, и теперь мы можем наблюдать в режиме реального времени за тем, как ведут себя белки на их поверхности. Теперь мы сможем понять, что мы должны знать для того, чтобы предотвратить слияние вируса с оболочкой человеческих клеток. И если мы сможем предотвратить проникновение ВИЧ в иммунные клетки, то можно будет начать праздновать победу», — продолжает американский вирусолог.
Во второй статье, опубликованной в Nature, Бланшар и его коллеги представили первые результаты наблюдений за проникновением вируса в иммунные клетки и опубликовали точные трехмерные модели молекул поверхностных белков в момент их присоединения к оболочке иммунных клеток. Им удалось выяснить, что во время сближения вируса с клеткой эти белки, свернутые в состоянии покоя в тугой бутон, разворачиваются и превращаются в своеобразный молекулярный цветок с четырьмя лепестками в виде молекул белка gp41.
Тычинкой этого вирусного соцветия является цепочка gp120, которая играет роль, как выражаются ученые, предохранительной чеки, мешающей лепесткам сомкнуться. Когда вирус сталкивается с иммунной клеткой и цепляется за белковые выросты на их поверхности, эта чека вылетает и молекулы gp41 начинают свою работу. Они схлопываются и вырезают отверстие в клеточной мембране, после чего склеивают ее края с оболочкой вируса, что позволяет его ядру проникнуть внутрь.
Авторы статьи надеются, что человеческая иммунная система в принципе способна справиться с вирусом самостоятельно: оказалось, что механизм проникновения ВИЧ в человеческие клетки в принципе ничем не отличается от того, как это делают многие другие вирусы. Для этого ей лишь нужна помощь в виде образца той части вируса, которая не будет меняться столь быстро, и авторы статьи полагают, что их методика и собранные ими данные помогут найти его.
«Нам срочно необходимо найти варианты того, как предотвратить заражение ВИЧ — вируса, который заразил или уже убил больше чем 70 миллионов людей по всему миру. Если наша методика поможет справиться с ВИЧ и СПИД, она может быть потенциально использована для изучения того, как нас заражают другие вирусы», — заключает Бланшар.
Два самых престижных научных журнала, американский Science и британский Nature, посчитали это открытие столь важным, что опубликовали статьи с описанием деталей этого процесса в одно и то же время.
«Практическое значение созданной нами технологии (наблюдений за ВИЧ) заключается в том, что теперь у нас появился шанс понять, как происходит этот биологический «танец» вируса и его жертвы. Пока нам удалось обнаружить три варианта того, как «трезубец» оболочки вируса может цепляться за оболочку клетки. Сейчас мы работаем над улучшением этой методики съемок для того, чтобы достигнуть разрешения, которое необходимо для создания вакцин, способных бороться с большинством разновидностей ВИЧ», — рассказывает Скот Бланшар из Корнеллского университета в Нью-Йорке.
Бланшар и почти три десятка молекулярных биологов и вирусологов на протяжении нескольких лет работали над созданием принципиально новой методики научных наблюдений, которая позволила бы им проследить в режиме реального времени за тем, как вирус иммунодефицита человека пробивает оболочку иммунных клеток и проникает внутрь них.
Общие детали того, как ВИЧ проникает в клетку, и сама структура его «боевой части» были раскрыты учеными еще 16 лет назад. Тем не менее детали этого процесса пока остаются почти неизвестными из-за сверхсложного устройства оболочки ВИЧ, состоящей из тысяч похожих друг на друга тесно взаимосвязанных и постоянно мутирующих частей.
По данным на сегодняшний день, ВИЧ проникает в клетки человека при помощи белка gp120 и присоединенных к нему коротких молекул другого пептида gp41. Эти белки цепляются за особые выросты на поверхности клеток иммунной системы, разрезают их оболочку и впрыскивают генетический материал внутрь.
«На поверхности каждой частицы ВИЧ присутствует по 10–20 «трезубцев» из подобных молекул, и они очень быстро мутируют, избегая реакции со стороны иммунной системы. Эта особенность вируса является главной причиной того, почему человеческий организм неспособен справиться с инфекцией, и объясняет то, почему вакцину от ВИЧ, эксплуатирующую уязвимости в оболочке вируса, создать крайне сложно», — объясняет Бланшар.
Быстрый темп мутаций в структуре gp120 и gp41 не является единственной проблемой, мешающей ученым раскрыть тайны механизма заражения ВИЧ. Эти белки не могут работать друг без друга, из-за чего ученым приходится следить за работой всей вирусной частицы в целом, что многократно усложняет все эксперименты. Причем сложности испытывают не только сами вирусологи, но и суперкомпьютеры — только в прошлом году мощнейший суперкомпьютер Blue Waters в университете Иллинойса смог проанализировать микроснимки вирусной частицы и собрать полноценную трехмерную модель вируса.
Такой модели недостаточно для понимания того, как вирус проникает в клетку: за 20 лет неудачных экспериментов ученые пришли к выводу, что для этого необходимо напрямую наблюдать за тем, что происходит в пробирке с вирусами и их жертвами.
«Трезубец» из белков gp120 и gp41, помогающий ВИЧ проникнуть в клетку, в свернутом состоянии.
Подобные опыты дополнительно усложняются тем, что в питательной среде вместе с ВИЧ будут присутствовать сотни тысяч и миллионов «ненужных» молекул, которые будут взаимодействовать с клетками иммунной системы и мешать экспериментаторам.
Группа Бланшара решила эту проблему, модифицировав сам вирус. Детали этого процесса были описаны в статье в Science. Ее авторы прикрепили к gp120, gp41 и прочим компонентам оболочки ВИЧ небольшие молекулы белковых красителей, которые светятся при облучении лучами лазера или обычным светом на определенной частоте волны. За открытие этой методики наблюдений за тайнами живого микромира Эрик Бетциг, Стефан Хелль и Вильям Мернер получили 8 октября Нобелевскую премию по химии.
Постепенно меняя химическую структуру этих флуоресцентных меток, которые Бланшар называет «маяками», вирусологи смогли сделать их достаточно яркими для того, чтобы их могли находить датчики микроскопа, и в то же время не перебивающими свет соседних молекул. Подобный прием позволил ученым сфокусировать свое внимание на том, что происходило с частицами вируса во время заражения, как менялась их структура и как они взаимодействовали с клетками.
«Мы сделали все передвижения частиц ВИЧ видимыми для нас, и теперь мы можем наблюдать в режиме реального времени за тем, как ведут себя белки на их поверхности. Теперь мы сможем понять, что мы должны знать для того, чтобы предотвратить слияние вируса с оболочкой человеческих клеток. И если мы сможем предотвратить проникновение ВИЧ в иммунные клетки, то можно будет начать праздновать победу», — продолжает американский вирусолог.
Во второй статье, опубликованной в Nature, Бланшар и его коллеги представили первые результаты наблюдений за проникновением вируса в иммунные клетки и опубликовали точные трехмерные модели молекул поверхностных белков в момент их присоединения к оболочке иммунных клеток. Им удалось выяснить, что во время сближения вируса с клеткой эти белки, свернутые в состоянии покоя в тугой бутон, разворачиваются и превращаются в своеобразный молекулярный цветок с четырьмя лепестками в виде молекул белка gp41.
Тычинкой этого вирусного соцветия является цепочка gp120, которая играет роль, как выражаются ученые, предохранительной чеки, мешающей лепесткам сомкнуться. Когда вирус сталкивается с иммунной клеткой и цепляется за белковые выросты на их поверхности, эта чека вылетает и молекулы gp41 начинают свою работу. Они схлопываются и вырезают отверстие в клеточной мембране, после чего склеивают ее края с оболочкой вируса, что позволяет его ядру проникнуть внутрь.
Авторы статьи надеются, что человеческая иммунная система в принципе способна справиться с вирусом самостоятельно: оказалось, что механизм проникновения ВИЧ в человеческие клетки в принципе ничем не отличается от того, как это делают многие другие вирусы. Для этого ей лишь нужна помощь в виде образца той части вируса, которая не будет меняться столь быстро, и авторы статьи полагают, что их методика и собранные ими данные помогут найти его.
«Нам срочно необходимо найти варианты того, как предотвратить заражение ВИЧ — вируса, который заразил или уже убил больше чем 70 миллионов людей по всему миру. Если наша методика поможет справиться с ВИЧ и СПИД, она может быть потенциально использована для изучения того, как нас заражают другие вирусы», — заключает Бланшар.
-
Aлексей
- 1
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.
