Ученые выяснили, как мутации вируса герпеса делают его устойчивым к лекарствам
Новое исследование, проведенное под руководством ученых Гарвардской медицинской школы и посвященное вирусу простого герпеса (ВПГ), проливает свет на один из путей, посредством которого вирус становится устойчивым к лечению. Эта проблема может быть особенно острой для людей с ослабленной иммунной функцией, включая тех, кто получает иммуносупрессивную терапию, и тех, кто родился с иммунодефицитом.
Используя сложную технологию визуализации, называемую криогенной электронной микроскопией (крио-ЭМ), исследователи обнаружили, что то, как части белка, отвечающие за репликацию вируса, перемещаются в разные положения, может изменять восприимчивость вируса к лекарствам.
Результаты, опубликованные в Cell, отвечают на давние вопросы о том, почему некоторые вирусы, но не другие, восприимчивы к противовирусным препаратам и как вирусы становятся невосприимчивыми к лекарствам. Результаты могут дать информацию о новых подходах, которые препятствуют способности вирусов опережать эффективные методы лечения.
Исследователи давно знали, что изменения, которые происходят в частях вируса, где с ним связываются противовирусные препараты, могут сделать его устойчивым к терапии. Однако исследователи HMS обнаружили, что, к их большому удивлению, это часто не относится к HSV.
Вместо этого исследователи обнаружили, что мутации белков, связанные с лекарственной устойчивостью, часто возникают далеко от целевого местоположения препарата. Эти мутации включают изменения, которые изменяют движения вирусного белка или фермента, который позволяет вирусу реплицироваться. Это повышает вероятность того, что использование лекарств для блокировки или замораживания конформационных изменений этих вирусных белков может быть успешной стратегией для преодоления лекарственной устойчивости.
«Наши результаты показывают, что нам нужно думать не только о типичных сайтах связывания лекарств», — сказал старший автор исследования Джонатан Абрахам из Института Блаватника в HMS и специалист по инфекционным заболеваниям в Brigham and Women's Hospital. «Это действительно помогает нам увидеть устойчивость к лекарствам в новом свете».
Исследователи отметили, что новые результаты способствуют пониманию того, как изменения в конформации вирусного белка (или изменения в том, как движутся различные части этого белка при выполнении им своей функции) способствуют развитию лекарственной устойчивости и могут иметь значение для понимания эффективности лекарственных препаратов и лекарственной устойчивости у других вирусов.
HSV, которым, по оценкам, заражены миллиарды людей по всему миру, наиболее известен как причина герпеса и лихорадки, но он также может привести к серьезным глазным инфекциям, воспалению мозга и повреждению печени у людей с ослабленным иммунитетом. Кроме того, HSV может передаваться от матери к ребенку через родовые пути во время родов и вызывать опасные для жизни неонатальные инфекции.
Вирус не может реплицироваться сам по себе. Для этого вирусы должны проникнуть в клетку-хозяина, где они высвобождают свои инструменты репликации — белки, называемые полимеразами — чтобы создавать копии самих себя.
Текущее исследование было сосредоточено на одном таком белке — вирусной ДНК-полимеразе — решающем для способности HSV воспроизводиться и распространяться. Способность выполнять свою функцию коренится в структуре ДНК-полимеразы, часто сравниваемой с рукой с тремя частями: ладонью, большим пальцем и пальцами, каждая из которых выполняет критически важные функции.
Учитывая их роль в обеспечении репликации, эти полимеразы являются критическими мишенями противовирусных препаратов, которые направлены на предотвращение самовоспроизведения вируса и прекращение распространения инфекции. Полимераза HSV является мишенью ацикловира, ведущего противовирусного препарата для лечения инфекции HSV, и фоскарнета, препарата второй линии, используемого для лечения устойчивых к лекарствам инфекций. Оба препарата работают, воздействуя на вирусную полимеразу, но делают это по-разному.
Ученые долгое время пытались полностью понять, как изменения в полимеразе делают вирус невосприимчивым к обычным дозам противовирусных препаратов и, в более широком смысле, почему ацикловир и фоскарнет не всегда эффективны против измененных форм полимеразы ВПГ.
«За прошедшие годы были определены структуры многих полимераз из различных организмов, но мы до сих пор не до конца понимаем, что делает некоторые полимеразы восприимчивыми к определенным препаратам, но не другие», — сказал Абрахам. «Наше исследование показывает, что то, как движутся различные части полимераз, известное как их конформационная динамика, является критическим компонентом их относительной восприимчивости к препаратам».
Белки, включая полимеразы, не являются жесткими, неподвижными объектами. Вместо этого они гибкие и динамичные. Состоящие из аминокислот, они изначально складываются в устойчивую трехмерную форму, известную как нативная конформация — их базовая структура. Но в результате различных связующих и диспергирующих сил различные части белков могут двигаться, когда они вступают в контакт с другими клеточными компонентами, а также под воздействием внешних воздействий, таких как изменения pH или температуры. Например, пальцы белка полимеразы могут открываться и закрываться, как пальцы руки.
Конформационная динамика — способность различных частей белка двигаться — позволяет им эффективно управлять многими важными функциями с ограниченным количеством ингредиентов. Лучшее понимание конформационной динамики полимеразы — это недостающее звено между структурами и функциями, включая то, реагирует ли белок на лекарство и может ли он стать устойчивым к нему в будущем.
Многие структурные исследования охватывали ДНК-полимеразы в различных различных конформациях. Однако детальное понимание влияния конформационной динамики полимеразы на устойчивость к лекарствам отсутствует. Чтобы решить головоломку, исследователи провели серию экспериментов, сосредоточившись на двух распространенных конформациях полимеразы — открытой и закрытой — чтобы определить, как каждая из них влияет на восприимчивость к лекарствам.
Сначала, используя крио-ЭМ, они провели структурный анализ, чтобы получить визуализацию атомных структур полимеразы HSV в высоком разрешении в нескольких конформациях, а также при связывании с противовирусными препаратами ацикловиром и фоскарнетом. Связанные с лекарствами структуры показали, как два препарата избирательно связывают полимеразы, которые более охотно принимают одну конформацию по сравнению с другой. Один из препаратов, фоскарнет, работает, захватывая пальцы ДНК-полимеразы так, что они застревают в так называемой закрытой конфигурации.
Кроме того, структурный анализ в сочетании с компьютерным моделированием показал, что несколько мутаций, удаленных от участков связывания препарата, обеспечивают устойчивость к противовирусным препаратам за счет изменения положения полимеразных пальцев, отвечающих за закрытие на препарате для остановки репликации ДНК.
Открытие стало неожиданным поворотом. До сих пор ученые считали, что полимеразы закрываются частично только тогда, когда они прикрепляются к ДНК, и закрываются полностью только тогда, когда они добавляют строительный блок ДНК, дезоксинуклеотид. Однако оказывается, что полимераза HSV может полностью закрыться, просто находясь рядом с ДНК. Это облегчает ацикловиру и фоскарнету задачу зацепиться и остановить работу полимеразы, тем самым останавливая репликацию вируса.
«Я работаю над полимеразой HSV и устойчивостью к ацикловиру уже 45 лет. Тогда я думал, что мутации устойчивости помогут нам понять, как полимераза распознает особенности природных молекул, которые имитируют препараты», — сказал соавтор исследования Дональд Коэн, профессор биологической химии и молекулярной фармакологии в HMS. «Я рад, что эта работа показывает, что я ошибался, и наконец дает нам по крайней мере одну ясную причину, по которой полимераза HSV избирательно ингибируется препаратом».
Обсудим?
Смотрите также:
