В настоящее время не существует лекарств для лечения вирусов Эбола, Денге или Зика, которые ежегодно заражают миллионы людей и приводят к тяжелым заболеваниям, врожденным дефектам и даже смерти. Новое исследование Институтов Гладстона и Калифорнийского университета в Сан-Франциско может наконец изменить это. Ученые определили основные способы захвата клеток организма тремя вирусами и нашли как минимум одно потенциальное лекарство, которое может нарушить этот процесс в клетках человека. Более того, они обнаружили, как вирус Зика может вызывать микроцефалию у младенцев, что стало первым шагом в разработке способа остановить болезнь.
Опубликовано в нескольких статьях в выпуске научного журнала Cell от 13 декабря 2018 года, исследователи использовали метод, называемый картированием взаимодействия белок-белок, для исследования трех вирусов. Метод использует человеческие клетки в лабораторных чашках для создания карты каждой точки контакта между вирусными и человеческими белками.
Ученые, чья работа проводилась в рамках Инициативы по картированию патогенов-хозяев, запущенной Институтом количественных биологических наук (QBI) в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, используют эти всеобъемлющие карты для выявления взаимодействий и пытаются убить инфекцию.
«Мы использовали нашу стратегию систематического взаимодействия белок-белок в отношении лихорадки Эбола, Денге и Зика, чтобы лучше понять, как эти три очень проблемных вируса захватывают, перестраивают и заражают клетки человека», - сказал лидер два исследования Неван Кроган, доктор философии, старший исследователь Института Гладстона, директор QBI в Калифорнийском университете в Сан-Франциско и профессор клеточной и молекулярной фармакологии в Калифорнийском университете в Сан-Франциско.«Для меня самое интересное, когда мы видим, как один и тот же человеческий механизм захватывается, казалось бы, очень разными вирусами и разными патогенными белками».
Сравнивая карту одного вируса с картой другого, исследователи могут найти человеческие белки, на которые обычно нацелены несколько разных вирусов, и которые потенциально могут быть вовлечены и в другие типы заболеваний человека.
Это означает, что воздействие на те человеческие белки, которые можно считать слабыми местами биологии человека, может быть эффективным при лечении многих различных заболеваний. Например, Кроган и его команда обнаружили, что лекарство-кандидат, изначально исследованное для лечения рака, может успешно уничтожить инфекцию, вызванную денге и лихорадкой Зика, в клетках человека.
Усиление защиты организма от лихорадки Эбола
Первое исследование группы, проведенное в сотрудничестве с Кристофером Баслером, доктором философии в Университете штата Джорджия, выявило 194 взаимодействия вируса с человеком с участием шести белков Эболы. Ученые сузили свое внимание до одной конкретной точки контакта между белком вируса Эбола, называемым VP30, и человеческим белком, называемым RBBP6.
Взаимодействие сначала привлекло их внимание, потому что оно было таким сильным, но RBBP6 оказался особенно интригующим белком, потому что он появился на других картах взаимодействия вирус-белок, что навело Крогана на мысль, что он играет важную роль в иммунная система.
Оказывается, RBBP6 имитирует другой белок Эболы, называемый NP. VP30 и NP должны связываться друг с другом для репликации вируса Эбола. Однако человеческий белок RBBP6 прерывает этот процесс, присоединяясь вместо этого к VP30. Таким образом, блокируя связь между двумя белками Эболы, RBBP6 эффективно останавливает репликацию вируса.
К своему удивлению, исследователи не обнаружили, как вирус атакует хозяина (в данном случае клетки человека). Скорее, они нашли способ защитить хост от вируса.
«Мы часто находим вирусные белки, которые эволюционировали, чтобы имитировать человеческие белки, но здесь все наоборот», - сказал Джиоти Батра, доктор философии, один из первых авторов статьи и научный сотрудник Гладстонского университета, ранее работавший в Лаборатория Баслера в Университете штата Джорджия. «Похоже, что у нашего организма есть естественный способ бороться с инфекцией Эбола, и вирус не смог обойти его. Имейте в виду, что у нас все еще нет эффективных механизмов для борьбы с лихорадкой Эбола, но без этой защиты вирус был бы еще опаснее."
Чтобы проверить эту теорию, Батра работал с другим первым автором исследования Джаддом Халтквистом, доктором философии, который проводил исследование в качестве докторанта в лаборатории Крогана в Гладстоне и Калифорнийском университете в Сан-Франциско, а сейчас является доцентом в Школе Фейнберга Северо-Западного университета. Лекарственное средство. Вместе они спроектировали клетки человека так, чтобы они либо не содержали белка RBBP6, либо содержали его намного выше нормы. Затем они заразили клетки вирусом Эбола. В клетках без защитного белка уровень заражения увеличился в пять раз. Но клетки с дополнительным белком надежно предотвращали заражение вирусом.
Команда Крогана сейчас работает над поиском препаратов, которые могут имитировать эффекты RBBP6 для борьбы с инфекцией Эбола. «Это ключевое взаимодействие, - сказал Кроган. «Вопрос в том, можем ли мы манипулировать им эффективным фармакологическим способом, чтобы он имел терапевтическую ценность».
Победа над Денге и Зика
Во втором документе лаборатория Крогана работала с исследователями из Медицинской школы Икана на горе Синай и Медицинского колледжа Бейлора. Они исследовали родственные вирусы Денге и Зика, которые передаются комарами и вызывают схожие клинические симптомы.
Ученые выдвинули гипотезу, что если два вируса взаимодействуют с человеческими белками сходным образом, нацеливание на эти белковые взаимодействия может быть лучшим способом борьбы с инфекциями. Они также нанесли на карту взаимодействия между вирусом денге и белками комаров, чтобы сравнить их с картами белков человеческого вируса.
«Есть что-то действительно захватывающее в вирусе, который может делать одно и то же в двух организмах, человеке и комаре, которые разошлись в течение сотен миллионов лет эволюции», - сказала Прия Шах, доктор философии, доцент кафедры химической инженерии, микробиологии и молекулярной генетики Калифорнийского университета в Дэвисе, проводившая исследование, когда она была докторантом в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. «Вирус реплицируется практически одинаково как в клетках человека, так и в клетках комаров. Таким образом, если мы сможем сосредоточиться на общих частях этих клеток, которые используются вирусом, мы сможем определить потенциально мощную терапевтическую мишень».
Сравнивая три карты, ученые определили одно взаимодействие, которое произошло как у вирусов, так и у обоих видов-хозяев: вирусный белок NS4A и белок-хозяин SEC61. Известно, что SEC61 играет критическую роль в некоторых формах рака, и коллега Крогана по Калифорнийскому университету в Сан-Франциско, Джек Тонтон, доктор философии, ранее разработал соединения, нацеленные на эти белки, в качестве потенциальных противораковых препаратов. Когда соединения были добавлены к клеткам человека и комара, они эффективно уничтожали инфекции лихорадки Денге и Зика.
«Мы разработали соединение на ранней стадии, которое обладает очень мощной противовирусной активностью против лихорадки Зика и лихорадки Денге в клетках человека и комара», - сказал Тонтон, профессор кафедры клеточной и молекулярной фармакологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско. «Теперь нам нужно настроить молекулу, чтобы оптимизировать ее безопасность и эффективность, прежде чем ее можно будет протестировать на пациентах».
«Вот отличный пример перепрофилирования соединения, первоначально разработанного для лечения одной болезни, и использования его для лечения другой болезни», - сказал Кроган. «Это возвращает к более широкой картине: просматривая эти наборы данных и заболевания, мы можем найти новые связи и инновационные решения».
Понимание того, как Зика вызывает микроцефалию
Хотя Денге и Зика очень похожи, только Зика вызывает разрушительный врожденный дефект микроцефалию. Итак, в последнем наборе экспериментов команда Крогана искала примеры, когда белки вируса Зика взаимодействовали с человеческими белками, а белки лихорадки Денге - нет..
Одно из взаимодействий, которое особенно выделялось, было между белком Зика NS4A и человеческим белком ANKLE2, который важен для развития мозга. Мутации в ANKLE2 ранее были связаны с наследственной микроцефалией.
Ученые обнаружили, что белок Зика, по-видимому, подавляет функцию ANKLE2, в конечном итоге нарушая развитие мозга и приводя к микроцефалии. Исследователи планируют использовать эти знания, чтобы начать разработку способов воздействия на ANKLE2 для предотвращения микроцефалии, связанной с вирусом Зика.
Ищем совпадения
Эти два исследования дали ученым многообещающие выводы либо для разработки новых методов лечения лихорадки Эбола, Денге и Зика, либо для перепрофилирования существующих. Нацелившись на белковые взаимодействия, выявленные в двух исследованиях, особенно на белки человека RBBP6 и SEC61, исследователи смогли уничтожить все три вируса в клетках человека, что стало важным началом в разработке потенциальных методов лечения заболеваний.
Исследование будет продолжено в рамках программы исследований вирусных и инфекционных заболеваний BioFulcrum в Гладстоне и Инициативы по картированию патогенов-хозяев в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, которая недавно была поддержана центральным грантом от Национального института здравоохранения в размере 8 миллионов долларов США для сосредоточения внимания на туберкулезе и Стафилококк. В рамках двух широкомасштабных исследовательских программ ранее были получены карты взаимодействия белок-белок для ВИЧ, туберкулеза, вируса гепатита С, вируса герпеса, вируса папилломы человека и хламидиоза..
«Мы начинаем видеть перекрытие между белками, захваченными разными вирусами», - сказал Кроган. «Не только это, те же самые белки часто мутируют при заболеваниях с генетическими корнями, таких как рак и аутизм. Чем больше общего мы можем найти между, казалось бы, не связанными между собой заболеваниями, тем лучше мы сможем определить методы лечения этих разрушительных состояний».