Атака слиянием: ученые выяснили механизм проникновения вируса в живую клетку

Объединенный научный коллектив из ИФХЭ РАН им. А.Н. Фрумкина, НИТУ МИСиС, МФТИ и ряда других исследовательских центров описал биофизические принципы проникновения вирусов гриппа и иммунодефицита человека в клетки пораженного организма.

Авторы создали теоретическую модель, описывающую механические свойства липидных мембран вирусов и атакуемых клеток, на основании которой удалось связать механику мембран с устойчивостью клеток. Цикл из трех статей с результатами новых исследований опубликован в специальном выпуске International Journal of Molecular Sciences.

Вызывающие многие опасные для человека заболевания вирусы, такие как вирус иммунодефицита человека, герпеса, гепатита, лихорадки Эбола и гриппа, проникают в клетки пораженного организма путем слияния своей оболочки с мембраной клетки или ее органелл. Этому процессу способствуют так называемые белки слияния, которые приводят в контакт липидную оболочки вируса и мембрану клетки-мишени.

Так как вирусы – это максимально упрощенные образования, способные только на паразитическую функцию, и неспособные к самостоятельному производству энергии, их белки слияния могут атаковать мембраны только за счет изначально запасенной в них энергии. Говоря простым языком, белки слияния подобны пружинкам, в определенный момент «выстреливающим» в мембрану инфицируемой клетки «якорь», за который они потом подтягивают клеточную мембрану к вирусной для запуска процесса слияния.

Из-за такого необычного механизма проникновения оказывается, что процесс вирусного инфицирования клетки зачастую зависит от свойств липидной мембраны клетки, а именно – от ее упругости. Иными словами, чем сложнее вирусным белкам механически деформировать клеточную мембрану, тем меньше вероятность того, что клетка будет инфицирована.

Авторы нового цикла исследований разработали теоретическую модель, предсказывающую энергетические затраты, которые нужно преодолеть вирусным белкам, чтобы вызвать слияние собственной мембраны с мембраной «жертвой». Кроме того, следя за изменениями энергии этого процесса, физики обнаружили несколько альтернативных сценариев атаки, некоторые из которых заканчиваются «победой» вируса, тогда как в ряде других случаев образуется тупиковое состояние, которое вирус уже не в состоянии развернуть в свою пользу.

«Нас вдохновили эксперименты по исследованию вирусного слияния методами криоэлектронной микроскопии, - рассказывает один из соавторов исследования старший научный сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС» Тимур Галимзянов, - В них были обнаружены необычные структуры, не предсказанные ни одной из существующих теоретических моделей слияния мембран. Поэтому мы предложили свою модифицированную модель слияния, и показали, что обнаруженные структуры являются тупиковыми, не приводя к слиянию вируса с клеткой, и рассчитали, как структура вирусных белков слияния влияет на выбор пути этого процесса – успешного или тупикового».
Примечательно, что все выводы, описанные в работе, получены с помощью общефизических подходов, без необходимости вводить специфические химические взаимодействия, как это часто случается в подобных исследованиях. Тем не менее, оказалось, что на процесс слияния мембран влияют несколько ключевых факторов, каждому из которых было посвящено отдельное исследование.

Три фактора, на которых авторы акцентируют свое внимание, это геометрические параметры белков слияния, которые атакуют мембрану клетки-жертвы, pH окружающей среды, определяющий в том числе структуру белков, а также наличие так называемых «рафтов» (от английского raft, то есть «плот»). Последнему фактору посвящена статья http://www.mdpi.com/1422-0067/19/5/1483

http://www.mdpi.com/1422-0067/19/5/1358 http://www.mdpi.com/1422-0067/18/12/2598 , вышедшая в середине мая 2018 года. В ней объясняется, как рафты – островки жестких молекул, относительно свободно перемещающихся по полужидкой клеточной мембране – взаимодействуют с вирусными белками, и играют решающую роль в выборе того, по какому из путей пойдет процесс слияния. Результатом этой работы стал сравнительно простой вывод, что присутствие рафта в области атаки, в случае вируса иммунодефицита человека, способствует слиянию, и, как следствие, успешному проникновению вирусного генетического материала в клетку.

Авторы подчеркивают, что полученные результаты в дальнейшем будут адаптироваться для более широкого класса объектов, хотя уже сейчас предсказания теоретической модели ставят важную задачу верификации для коллег-экспериментаторов. Если выводы о роли механических свойств клеточных мембран подтвердятся, это может стать важной отправной точкой в исследовании вирусных процессов и механизмов клеточной защиты.