Крошечная оболочка, защищающая вирус ВИЧ, напоминает слегка закругленный рожок мороженого, но в ней нет ничего сладкого. Более 40 миллионов человек во всем мире живут со СПИДом из-за этого вируса, и методы лечения должны постоянно совершенствоваться по мере мутации ВИЧ. В острой стадии инфекции одна клетка человека может произвести до 10 000 новых частиц ВИЧ.

В Делавэрском университете профессор Хуан Р. Перилья и его исследовательская группа на кафедре химии и биохимии более десяти лет изучают структуру и функции защитной оболочки ВИЧ, или капсида, а также белков, находящихся внутри. Их цель — выявить новые мишени для лекарств, которые могли бы остановить распространение ВИЧ.

В неожиданном открытии, опубликованном 18 февраля в журнале Nature, Перилла и его коллеги из США и Великобритании выявили ранее неизвестную роль вирусного белка интегразы. Ученые уже знали, что интеграза помогает ВИЧ внедряться в ДНК человека. Но это новое исследование впервые предоставляет прямые доказательства того, что интеграза играет критически важную структурную роль на ранних стадиях жизненного цикла ВИЧ — когда вирус созревает и становится инфекционным организмом.

Используя криоэлектронную микроскопию высокого разрешения (крио-ЭМ), исследовательская группа обнаружила, что белки интегразы образуют клейкие нити, выстилающие внутреннюю поверхность капсида. Каждый сегмент нити аккуратно вставляется в шестиугольные ячейки капсида, прочно удерживая при этом РНК-геном ВИЧ. Такое застегивающееся на молнию расположение организует и упаковывает вирус, подготавливая его к захвату клетки и началу самовоспроизведения.

«Интеграза играет структурную роль внутри капсида ВИЧ — этого никто не ожидал», — сказал Перилла. «Этот белок образует филаменты, которые закрепляют РНК на капсиде. Без этих филаментов вирус неинфекционен».

Заглядывая внутрь частицы ВИЧ

Заглянуть внутрь ВИЧ — задача не из легких. Капсид имеет ширину всего около 120 нанометров — примерно 1/800 толщины человеческого волоса. Он невероятно мал, хрупок, плотно упакован и постоянно меняется, — сказала Перилла.

Чтобы раскрыть его скрытую архитектуру, исследователи прибегли к тесному сотрудничеству и сочетанию сложных методов микроскопии, молекулярного моделирования и экспериментов.

Криоэлектронная микроскопия, проводимая в Институте Фрэнсиса Крика в установке, расположенной примерно в 20 метрах под землей для защиты от вибраций и магнитных полей, требует заморозки образцов за миллисекунды, поддержания температуры ниже, чем в открытом космосе, и получения изображений с помощью пучков электронов вместо света для фиксации тонких структурных деталей на атомном уровне. Этот метод позволяет получить миллионы двумерных изображений замороженных частиц, которые необходимо отсортировать, усреднить и выровнять в трехмерную модель для визуализации отдельных белков — работа, которая была бы просто невозможна без высокопроизводительных вычислений, сказал Перилла.

После определения общей формы молекулярная модель позволила получить химические детали. Исследователи создали поатомные модели, соответствующие данным криоэлектронной микроскопии, показав, как компоненты вируса соединяются друг с другом.

Предыдущие эксперименты, направленные на подавление вируса, дали еще больше информации. Команда использовала специализированные ингибиторы, называемые ALLINI, для нарушения образования (олигомеризации) более крупных комплексов интегразы, которые, как теперь стало известно, также разрушают взаимодействие интегразы с капсидом. Хотя некоторые доклинические ингибиторы влияют на эти взаимодействия, Перилла отметил, что ни один из существующих одобренных FDA препаратов не нацелен на эту недавно обнаруженную структурную роль интегразы, что открывает многообещающие новые перспективы для разработки лекарств.

Совместные усилия, оказывающие глобальное влияние

«Проблема ВИЧ в том, что люди живут с ним хронически, — сказала Перилла. — Лечение эффективно, но пациентам всегда нужны новые терапевтические средства. Мы хотим помочь в разработке следующего поколения ингибиторов и надеемся внести значительный вклад».