За последние два года ученые очень подробно изучили вирус SARS-CoV-2, заложив основу для разработки вакцин против COVID-19 и противовирусных препаратов. Теперь ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики впервые увидели одно из наиболее важных взаимодействий вируса, которое может помочь исследователям разработать более точные методы лечения.
Команда поймала момент, когда белок вируса , названный Mpro, вырезает защитный белок, известный как NEMO, у инфицированного человека. Без NEMO иммунная система медленнее реагирует на увеличение вирусной нагрузки или новые инфекции. Наблюдение за тем, как Mpro атакует NEMO на молекулярном уровне , может вдохновить на новые терапевтические подходы.
Чтобы увидеть, как Mpro режет NEMO, исследователи направили мощные рентгеновские лучи от Стэнфордского источника синхротронного излучения (SSRL) SLAC на кристаллизованные образцы белкового комплекса. Рентгеновские лучи поразили образцы белка, показывая, как выглядит Mpro, когда он разрушает основную функцию NEMO, помогающую нашей иммунной системе общаться.
«Мы увидели, что вирусный белок прорезает NEMO так же легко, как острые ножницы сквозь тонкую бумагу», — сказал соавтор Соити Вакацуки, профессор SLAC и Стэнфорда. «Представьте себе, какие плохие вещи происходят, когда хорошие белки в нашем организме начинают распадаться на куски».
Изображения из SSRL показывают точное местоположение разреза NEMO и обеспечивают первую структуру Mpro SARS-CoV-2, связанного с человеческим белком.
«Если вы можете заблокировать сайты, на которых Mpro связывается с NEMO, вы можете предотвратить повторение этого сокращения», — сказал ведущий научный сотрудник SSRL и соавтор Иримпан Мэтьюз. «Остановка Mpro может замедлить скорость захвата вирусом тела. Расшифровка кристаллической структуры выявила сайты связывания Mpro и стала одним из первых шагов к остановке белка».
Исследовательская группа из SLAC, Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США и других учреждений опубликовала свои результаты сегодня в Nature Communications.
Защита пути иммунитета
NEMO является частью иммунной системы человека, известной как путь NF-κB. Вы можете думать о NEMO и пути NF-κB, как если бы они были считывателем карт и проводкой снаружи запертой входной двери здания. Если провода к считывателю карт перерезаны, дверь не откроется, а это означает, что человек (или активатор иммунной системы, такой как НЕМО) застрял снаружи, не в силах сделать то, за чем он пришел.
Путь NF-κB является важной частью защитных воспалительных реакций. Когда NEMO сокращен, наш иммунный ответ не может быть активирован, что приводит к различным пагубным последствиям для нашего организма. Вирусные инфекции COVID-19 могут ухудшиться, если Mpro уничтожит NEMO, помогая вирусу уклоняться от наших врожденных иммунных реакций. Кроме того, отдельное исследование, проведенное учеными из учреждений в Германии, показало, что потеря NEMO под действием Mpro может привести к повреждению определенных клеток мозга , вызывая неврологические симптомы, наблюдаемые у пациентов с COVID-19, заявили исследователи.
Один препарат, который в настоящее время одобрен для использования в экстренных случаях, нацелен на белки Mpro, предоставляя инфицированному человеку ингибитор Mpro. Этот тип ингибиторного препарата может быть усилен теперь, когда обнаружено место разреза NEMO.
«Кристаллические структуры NEMO и Mpro дают нам цели для разработки методов лечения, которые предотвращают эти порезы», — сказал ученый SLAC и соавтор Михаил Али Хамиди. «Хотя современные противовирусные препараты могут быть нацелены на Mpro, изучение молекулярных деталей того, как Mpro атакует NEMO, поможет нам разработать новые методы лечения в будущем, поскольку Mpro мутирует».
Поиск способов улучшения противовирусных ингибиторов особенно важен для SARS-CoV-2. Среди коронавирусов — группы, в которую входят исходные вирусы SARS-CoV и MERS-CoV — Mpro SARS-CoV-2 наиболее эффективно прикрепляется к NEMO и разрезает его. Исследователи заявили, что Mpro SARS-CoV-2 захватывает NEMO более жестко, чем его аналоги из других коронавирусов, и может сокращать сотни других важных белков в клетках человека-хозяина, например, связанных с заболеваниями крови.
Чтобы предсказать, насколько хорошо Mpro связывается с NEMO, исследователи использовали суперкомпьютер Summit в Oak Ridge Leadership Computing Facility. Они по-новому объединили моделирование молекулярной динамики с пятью моделями машинного обучения и применили квантовую химию , обнаружив, что Mpro, вероятно, имеет самую высокую аффинность связывания с SARS-CoV-2 по сравнению с другими первичными коронавирусами. В предыдущих исследованиях эти методы помогли ученым сузить список потенциальных противовирусных ингибиторов.
«С помощью набора вычислительных подходов мы смогли предсказать самые сильные места связывания между NEMO и Mpro», — сказала соавтор и ученый ORNL Эрика Пратес. «Мы считаем, что высокая аффинность связывания в этих горячих точках помогает объяснить высокую приспособленность вируса к людям».
По словам Вакацуки, в будущем биомедицинская промышленность может использовать это исследование для создания более эффективных лекарств-ингибиторов и понимания того, как Mpro может влиять на другие белки.
«NEMO — это только верхушка айсберга, — сказал он. «Теперь мы можем изучить, что происходит, когда многие другие белки в организме расщепляются Mpro во время инфекции».
