Есть заминка в колебании белка, который доставляет вирус гриппа. Исследователи из Университета Райса и Медицинского колледжа Бейлора считают, что этот механизм может быть полезной мишенью для предотвращения заражения клеток вирусом.
В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, группа Райс-Бейлор во главе с биофизиком Хосе Онучичем и биохимиками Цзяньпэн Ма и Цинхуа Ван углубляются в изучение гликопротеинового комплекса, который они начали определять в статье 2014 года.
Этот белок, гемагглютинин, находится на поверхности вирусов гриппа и помогает им прикрепляться к защитным мембранам клеток-мишеней и транспортироваться через них.
Доклад начинает определять механизм, который позволяет белку мгновенно разворачиваться и вновь складываться, изменяя свою форму, чтобы обнажить пептид, который прикрепляет вирус к клетке и начинает инфекцию. Исследователи полагают, что терапевтические препараты могут использовать этот механизм для подавления вируса.
«Этот белок начинается в свернутом состоянии и проходит глобальную трансформацию, перестраиваясь в совершенно другое состояние», - сказал Онучич, содиректор Центра теоретической биологической физики Райс (CTBP). «Но в центре есть небольшая часть, которую эволюция сохранила».
Этот единственный консервативный аминокислотный остаток является заминкой, которая заставляет белок останавливаться в процессе рефолдинга. Это позволяет слитому пептиду, зарытому внутри, связываться с клеткой-мишенью и начинать ее заражение. Без паузы повторное свертывание было бы слишком быстрым для связывания.
Ведущий автор и научный сотрудник Rice Xingcheng Lin смоделировал эту часть белка, B-петлю домена HA2. HA2 находится под другим доменом, кепкой, известной как HA1, которая мутирует, чтобы обойти защиту. Лин объяснил, что HA1 является общей мишенью для лекарств от гриппа, потому что открытый домен cap более доступен, чем защищенный домен HA2.
Проблема в том, что HA1 постоянно мутирует, чтобы противостоять лекарствам, сказал он. Это влияет на эффективность вакцин против гриппа каждый год. Лин и Онучич говорят, что HA2 представляет собой лучшую мишень для лекарств, потому что этот механизм в высокой степени консервативен в ходе эволюции.
«Если лекарство нацелено на HA2, домен не может ускользнуть, производя мутации, потому что сами мутации сделают его нефункциональным», - сказал Лин. «Такое лекарство могло бы стать универсальной вакциной».
HA2 представляет собой тримерную структуру, которая при срабатывании кислотных условий в окружающей среде вблизи клетки-мишени трансформируется из случайной петли в спиральную спираль. Даже с паузой он разворачивается и складывается за доли секунды, слишком быстро, чтобы микроскопы могли его разглядеть. Но компьютерное моделирование процесса можно замедлить.
Это особенность CTBP, которая использует программы, анализирующие энергетический ландшафт белков, чтобы предсказать, как они будут складываться. Онучич и его коллеги являются пионерами в теории, согласно которой сворачивание белков следует упорядоченному, «конвейерному» процессу, который зависит от собственной энергии каждого атома в цепи, каждый из которых постоянно ищет свое самое низкое энергетическое состояние. Если можно идентифицировать все атомарные «бусинки», можно смоделировать сложный процесс складывания.
Исследователи из Райса часто используют крупнозернистые модели белков, подмножества атомов, представляющих целое, чтобы предсказать, как они будут складываться. По словам Онучича, новое исследование было гораздо более амбициозным и предполагало предсказание сложного разворачивания и повторного складывания с использованием не только каждого атома в цепи, но и каждого атома в его жидкой среде..
Лин смоделировал 40 микросекунд (миллионные доли секунды) перехода домена HA2, который представляет весь процесс, который занимает 1,4 миллисекунды (тысячные доли секунды) для завершения. По его словам, даже этот сокращенный процесс занял два года компьютерного времени, чтобы получить результаты.
«Смоделированная область составляет около 3 000 атомов, но с учетом окружающей среды, включая воду, общая симуляция включает около 100 000 атомов», - сказал Онучич. «Это по-прежнему огромная симуляция, требующая самых современных технологий».
Предыдущие теории, основанные на кристаллографических изображениях белков до и после, выдвигали идею подпружиненного домена, который, по-видимому, прикреплялся к клетке-мишени после удаления колпачка. Онучич сказал, что полная модель HA2 поддерживает другой механизм.
«Мы выяснили, что есть куча энергии, которая делает конечное состояние HA2 намного более стабильным, чем начальное состояние», - сказал он. «Но с подпружиненным механизмом большая часть энергии уже будет потрачена впустую к тому времени, когда он сформирует спиральную спираль и свяжет клеточные и вирусные мембраны. У него не останется никакой энергии, чтобы стянуть мембраны вместе.
«Вот почему мы решили провести полный расчет системы - всех атомов белка и всей воды», - сказал Онучич. «Это было гигантское усилие».
Консервированный гидрофильный (притягивающий воду) остаток, известный как Thr59, представляет особый интерес для исследователей не только тем, что он нарушает свертывание и позволяет вирусу атаковать, но и тем, что у него есть близнец.
«В полном эволюционном древе эти вирусы делятся на две группы, и разница, по-видимому, заключается в этом остатке», - сказал Онучич. «Они разделились 1500 лет назад, и каким-то образом после этого разделения они полностью сохранились. Они не смогли изменить этот остаток, несмотря ни на что, и мы считаем, что это делает этот остаток важным».
Текущее исследование сосредоточено на группе, которая включает Thr59 и вызывает штамм H3N2, ответственный за гонконгский грипп, сказал Лин. Другой остаток, Met59, появляется в штамме H1N1, вызвавшем испанский грипп.
«Нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы понять весь белок», - сказал он. «Здесь мы изучили только один домен одного белка, и есть несколько других, которые очень важны для его функции».
«Но то, что Xingcheng уже сделал, является вычислительным проявлением силы», - добавил Онучич. «Он показал, как этот конкретный остаток нарушает спиральную симметрию домена и делает его достаточно нестабильным, чтобы дать пептиду время захватить мембраны».