Вирусы позаимствовали узор для своих оболочек из японского искусства плетения корзин

Российские ученые предложили новую структурную модель оболочек флавивирусов, вызывающих энцефалит и геморрагическую лихорадку. Согласно ей, вирусные частицы проходят сложный цикл созревания, при котором их поверхность, вначале рыхлая и похожая на японский узор кагомэ, становится более гладкой и плотной. Это необходимо, чтобы новые инфекционные частицы могли заражать человеческие клетки. Понимание устройства и механизма созревания вирусных оболочек поможет ученым разработать вакцины и препараты для борьбы с заболеваниями, которые они вызывают. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Biomaterials Science.

Несмотря на то, что вирусы нельзя отнести к живым организмам, они в определенных случаях ведут себя очень похоже на них. Так, эти частицы способны размножаться и передавать свою генетическую информацию потомству. Однако это возможно, только если вирус попадет в живую клетку организма-хозяина. При этом инфекционный агент использует ресурсы своего «хозяина» для самовоспроизведения, в ходе которого копирует генетический материал (ДНК или РНК) и собирает капсиды — белковые оболочки, защищающие молекулу-носитель наследственной информации.

Из-за того, что вирусы крайне миниатюрны (примерно в 50 раз меньше бактерий), их геном также невелик и может кодировать всего несколько белков, из которых состоит капсид. Поэтому оболочка вирусов обычно состоит из множества копий одного и того же белка или нескольких белков. Таким образом сборка капсида напоминает игру с детским конструктором, в котором есть всего несколько видов деталей. Интересно, что «инструкция по сборке» оболочки не кодируется вирусным геномом, а заложена в форме уже готовых белков. Так, подобно деталям конструктора, эти молекулы могут соединиться лишь определенными участками, благодаря чему капсиды собираются самопроизвольно.

Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) с коллегами из Китая описали принцип сборки сложных оболочек флавивирусов — возбудителей ряда опасных заболеваний человека. Оболочка этих инфекционных агентов состоит из трех слоев: двух белковых — внешнего и внутреннего — и лежащего между ними липидного. Таким образом, помимо одного белкового слоя, характерного для всех вирусных капсидов, флавивирусы имеют два дополнительных, внешних. Они необходимы для защиты генома и взаимодействия с клетками-хозяевами и проникновения в них.

Исследователи определили, что сразу после сборки вирусной частицы внешний и внутренний белковые слои оболочки флавивирусов имеют согласованное друг с другом строение, несмотря на то что между ними располагается препятствие в виде липидного слоя. Вместе они образуют очень плотную сферическую структуру, поверхность которой напоминает кагомэ — традиционный японский узор из треугольников и шестиугольников, который возникает при плетении корзин из стеблей бамбука.

Кроме того, авторы описали механизм созревания многослойной оболочки флавивирусов. Сразу после процесса сборки отдельные белки внешнего слоя оказываются объединены в тримеры — своеобразные «строительные блоки», состоящие из трех одинаковых молекул. Далее, по мере «путешествия» вновь образовавшихся вирусных частиц в хозяйской клетке, оболочка видоизменяется и становится более плотной. Когда вирус подходит к мембране, чтобы покинуть клетку и отправиться заражать соседние, он сталкивается с увеличивающейся кислотностью. В результате белки в составе его оболочки меняют свои электрические заряды, вследствие чего изменяется взаимодействие между белками и меняется тип их укладки. Понимание механизма таких преобразований поможет ученым разработать вакцины для борьбы с флавивирусами.

«На сегодняшний день не существует противовирусных препаратов и вакцин для борьбы с флавивирусами, вызывающими энцефалит и геморрагическую лихорадку. Однако наши исследования могут помочь сделать шаг к решению этой проблемы. В дальнейшем мы планируем исследовать механизмы сборки других семейств вирусов, вызывающих заболевания у человека», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнология» Южного федерального университета.