Данная работа является кульминацией исследований, проведенных за последние 10 лет с целью определения структуры различных участков капсида ВИЧ. Впервые ученым удалось так подробно описать структуру и особенности основного белка вирусной оболочки.

«Наша работа является краеугольным камнем для ученых, занимающихся данной темой, — говорит руководитель исследования Марк Игер (Mark Yeager), профессор из Исследовательского Института Скриппса и заведующий кафедрой Молекулярной Физиологии и Биофизики Медицинской Школы при Университете Вирджинии, — Подробное описание оболочки ВИЧ откроет путь для разработки препаратов, ингибирующих сборку капсида и тем самым предотвращающих ВИЧ-инфекцию».

Сборка капсида

Попадая в организм человека, ВИЧ заражает преимущественно клетки иммунной системы. Проникнув в клетки, вирус разбирает свой капсид, высвобождает генетический материал и начинает активно размножаться (реплицироваться), «заставляя» генетический аппарат клетки человека продуцировать копии своего генома и синтезировать свои белки. После синтеза новых вирусов генетический материал упаковывается в сферические незрелые капсиды, которые ВИЧ использует для выхода из инфицированной клетки. Но перед тем, как новосинтезированные вирусы смогут заразить другие клетки, незрелые капсиды претерпевают реорганизацию для формирования зрелого капсида в виде усеченного конуса.

Если формирование зрелого капсида нарушено, вирус теряет способность инфицировать новые клетки. Таким образом, арсенал уже существующих препаратов против ВИЧ смогут дополнить новые, направленные на ингибирование сборки капсида.

Гексамеры и пентамеры

Для разработки препаратов, блокирующих сборку капсида, ученым необходима точная информация о механизме этого процесса.

Одной из технологий, используемых для получения структуры биологических молекул, является рентгеновская кристаллография. Метод основан на кристаллизации молекулы и последующем направлении на нее рентгеновских лучей, по дифракции которых можно судить о расположении атомов в узлах кристаллической решетки.

Известно, что внешняя оболочка ВИЧ имеет форму усеченного конуса. Но, в отличие от консусовидных капсидов других вирусов, таких как полиовирус, имеющих устойчивую симметричную структуру, позволяющую им легко кристаллизоваться, капсид ВИЧ гибкий и может принимать разные формы. Причиной такой гибкости является белок CA, входящий в состав капсида и состоящий из двух субъединиц, соединенных структурой типа навесного моста.

В капсиде каждый CA-белок соединяется с другими такими же белками, формируя группы из 5-6 молекул. Основная структура капсида содержит 250 гексамеров (структур, состоящих из 6 одинаковых белков каждая), а на каждом «конце» конуса находится по 5-7 маленьких пентамеров (структур, состоящих из 5 одинаковых белков каждая).

«Так как целый капсид ВИЧ кристаллизовать невозможно, мы решили разбить его на небольшие составные части и определять их структуру отдельно», — говорит Иагер.

Гексамеры ученые увидели в электронный микроскоп еще в 2007 г. Кристаллизовав их, исследователи смогли определить структуру молекул в разрешении 2 Ангстрема.

Тем же методом впоследствии была определена структура пентамеров. Оказалось, что пять CA-белков на одном из концов пентамера, называемом N-концевой домен (N-terminal domain (NTD)), образуют структуру типа кольца. На противоположном конце пентамера, называемом C-концевой домен (C-terminal domain (CTD)), формируется структура типа пояса, которая окружает центральную часть комплекса и затем соединяет соседние пентамеры.

Структура пентамера довольно гибкая и мобильная. CTD-субъединицы могут поворачиваться относительно NTD-субъединиц.

«Структура пентамеров удивительно похожа на структуру гексамеров, — говорит один из авторов статьи Оуэн Порниллос (Owen Pornillos), — Но есть небольшое различие: поскольку пентамеры обладают меньшим размером, аминокислоты в центре кольца пентамера расположены ближе друг к другу, чем у гексамеров».

Многие аминокислоты имеют положительный либо отрицательный заряд. Когда две аминокислоты с одинаковым зарядом расположены близко друг к другу, они могут отталкиваться. В средней части как пентамеров, так и гексамеров имеется положительно заряженная аминокислота аргинин. Поскольку в пентамере аминокислоты упакованы плотно, они отталкиваются друг от друга, что делает структуру менее стабильной, чем у гексамеров.

Атомная модель капсида ВИЧ

Определив атомную структуру пентамеров и гексамеров СА-белков, Игер и его коллеги решили построить полную атомную модель зрелого капсида ВИЧ.

В настоящее время ученые планируют детализировать модель с помощью компьютерных программ, чтобы определить стабильность структуры в разных участках и найти возможные «слабые» места, на которые могут быть направлены новые лекарственные препараты.

Ученые также начали исследование структуры незрелого капсида, чтобы определить, как происходит его переход в зрелое состояние, ибо этот процесс все еще остается неизученным.

«У нас нет полного представления о структуре ВИЧ, но первый важный шаг мы сделали», — говорит Игер.

По материалам:
The Scripps Research Institute