16 декабря 2020
Грег Боуман
Как мы все знаем, коронавирусы представляют собой серьезную угрозу для здоровья человека. За последние два десятилетия эти вирусы вызвали три эпидемии: SARS в 2004 году, MERS в 2012 году, а теперь COVID-19 вызвал глобальную пандемию. Необходимо ответить на до боли очевидные вопросы:
1) Как предотвратить заболевания, вызванные коронавирусом?
2) Как лечить людей, которые болеют этими заболеваниями?
К счастью, недавно утвержденные вакцины - отличный шаг к ответу на вопрос под номером 1. Однако второй вопрос остается открытым.
Как и все вирусы, коронавирусы используют молекулярные машины, называемые белками, для выполнения цикла заражения клеток-хозяев (человека) и их репликации. Если Вы можете отключить функцию этих белков, вирусы не смогут продолжить этот цикл! Таким образом, выяснение того, как действуют эти белки, и разработка способов «выключения» этих белков является основной задачей при разработке лекарств, предназначенных для лечения инфицированных людей.
В нашей последней работе мы используем компьютерное моделирование, чтобы понять движущиеся части основного белка SARS-CoV-2. Хотя обычно мы можем выяснить общую форму (то есть трехмерную структуру) белка с помощью различных экспериментов (включая рентгеновское облучение белка), даже самые мощные микроскопы в мире не могут показать нам, как эти белки движутся! Компьютерное моделирование показывает нам, как на самом деле движется белок, что может информировать нас о том, как они функционируют, и показывать новые способы их отключения.
Белок коронавируса, который мы изучаем в этой работе, называется Nsp16. Это помогает вирусу уклоняться от нашего иммунного ответа, поэтому, если мы сможем отключить Nsp16, наша иммунная система будет легче распознавать вирус и выводить его из строя. Ранее люди пытались нейтрализовать Nsp16, вклинивая лекарство в его «активный участок» (то есть в область, где он выполняет реакцию, чтобы скрыть вирусную РНК от иммунной системы человека). В случае Nsp16 активный участок состоит из двух карманов, один из которых связывает РНК, а другой - другую молекулу, называемую SAM. Однако существует аналогичный человеческий белок (CMTr1), который имеет похожий вид активного участка, поэтому нацеливание на белок коронавируса без отключения человеческого белка является сложной задачей.
Белок Nsp16 вируса SARS-CoV-2 играет важную роль в способности вируса уклоняться от иммунного ответа. Для выполнения этой функции ему необходимо связать белок Nsp10 и две другие молекулы, РНК и SAM (зеленая и пурпурная соответственно).
Одно важное отличие, отличающее человеческих родственников Nsp16 от белка коронавируса Nsp16, заключается в том, что белок коронавируса должен быть присоединен к другому вирусному белку, Nsp10, для выполнения своей функции.
В этой работе мы сначала показываем, как связывание Nsp10 с Nsp16 активирует Nsp16, а затем, сравнивая движения Nsp16 и его человеческого гомолога (CMTr1), мы идентифицируем способ отключения Nsp16 без отключения человеческого белка.
Во-первых, мы показали, как связывание Nsp10 с Nsp16 активирует Nsp16, чтобы он мог функционировать. В частности, когда Nsp10 присоединяется к Nsp16, трехмерная структура Nsp16 изменяется, так что его активный участок становится более открытым (показано в видео ниже). С более открытым активным участком Nsp16 способен связываться с РНК и SAM, которые необходимы для активации реакции, маскирующей РНК!
Моделирование Folding@home показало, как белок Nsp10 вируса связывается и активирует Nsp16. В отсутствие Nsp10 карманы Nsp16, которые связывают РНК и другую молекулу, называемую SAM (карманы желтого и голубого цвета соответственно), закрываются сами по себе. Связывание Nsp10 открывает эти карманы, позволяя Nsp16 связывать РНК и SAM и, в конечном итоге, выполнять свою функцию. Для справки, РНК показана зеленым цветом, а SAM - пурпурным.
Затем мы находим способ нацеливаться на белок коронавируса Nsp16, не нацеливаясь на его важного человеческого родственника, белок CMTr1. В частности, мы обнаружили, что некоторые движения Nsp16 приводят к образованию «загадочного» кармана в области белка рядом с активным участком, но CMTr1 человека не образует этот карман! Важно отметить, что когда этот карман открыт, активный участок закрыт, а это означает, что Nsp16, вероятно, не может связываться с необходимыми молекулами, которые ему нужны, чтобы замаскировать свой геном! Следовательно, если кто-то сможет разработать небольшую молекулу, чтобы её можно было воткнуть и открыть этот карман, это, скорее всего, выведет из строя белок. И мы обнаружили, что белки Nsp16 других коронавирусов также имеют этот карман, поэтому нацеливание на этот карман может нокаутировать другие коронавирусы (например, SARS, MERS и т. д.). К счастью, это, скорее всего, не повлияет на CMTr1 человека, поскольку он не образует этот карман.
Моделирование Folding@home выявило загадочный карман (красный), который отсутствует в существующих кристаллических структурах белка. Открытие загадочного кармана закрывает карман для привязки SAM. Поскольку наличие открытого SAM-связывающего кармана важно для правильного функционирования Nsp16, лекарство, которое нацелено на скрытый карман и закрывает SAM-связывающий карман, может выключить Nsp16. Мы также обнаружили, что белки Nsp16 из вирусов SARS-CoV-1 и MERS имеют один и тот же скрытый карман, в то время как этот карман отсутствует в человеческих белках, выполняющих аналогичную функцию. Следовательно, лекарство, нацеленное на этот загадочный карман, может быть полезно против многих/всех коронавирусов с минимальными побочными эффектами. Для справки, РНК показана зеленым цветом, а SAM - пурпурным.
