В настоящее время нет лекарств для лечения вирусов Эбола, денге или Зика, которые ежегодно инфицируют миллионы людей и приводят к тяжелым заболеваниям, врожденным дефектам и даже смерти. Новое исследование институтов Гладстона и Калифорнийского университета в Сан-Франциско может, наконец, изменить это положение. Ученые определили ключевые способы, которыми три вируса захватывают клетки организма, и нашли по крайней мере одно потенциальное лекарство, которое может нарушить этот процесс в клетках человека. Более того, они обнаружили, как вирус Зика может вызывать микроцефалию у младенцев, что стало первым шагом в разработке способа остановить болезнь.
Опубликованные в статьях в выпуске научного журнала Cell от 13 декабря 2018 г., исследователи использовали метод, называемый картированием белок-белковых взаимодействий, для исследования трех вирусов. Метод использует человеческие клетки в лабораторных чашках для создания карты каждой точки контакта между вирусными и человеческими белками.
Ученые, чья работа проводилась под эгидой Инициативы по картированию патогенов-хозяев, запущенной Институтом количественных биологических наук (QBI) в UCSF, используют эти комплексные карты для определения взаимодействий и попытки убить инфекцию.
"Мы применили нашу стратегию систематического белок-белкового взаимодействия в отношении вирусов Эбола, денге и вируса Зика, чтобы лучше понять, как эти три очень проблематичных вируса захватывают, перепрограммируют и инфицируют человеческие клетки," сказал руководитель двух исследований Неван Кроган, Ph.D., старший научный сотрудник Института Гладстона, директор QBI в UCSF и профессор клеточной и молекулярной фармакологии в UCSF. "Для меня самое интересное, когда мы видим, как один и тот же человеческий механизм захвачен, казалось бы, совершенно разными вирусами и разными патогенными белками."
Сравнивая карту одного вируса с картой другого, исследователи могут найти человеческие белки, на которые обычно нацелены несколько разных вирусов, и которые потенциально могут быть вовлечены в другие типы человеческих заболеваний.
Это означает, что нацеливание на эти человеческие белки – которые можно считать слабыми местами биологии человека – может быть эффективным при лечении многих различных заболеваний. Например, Кроган и его команда обнаружили, что кандидат на лекарство, первоначально изученный для лечения рака, может успешно уничтожить инфекцию, вызванную денге и вирусом Зика, в клетках человека.
Усиление защиты организма от лихорадки Эбола
Первое исследование группы, проведенное в сотрудничестве с доктором Кристофером Баслером.D., в Университете штата Джорджия выявили 194 взаимодействия вируса с человеком с участием шести белков вируса Эбола. Ученые сузили свой фокус до одной конкретной точки контакта между белком вируса Эбола VP30 и человеческим белком RBBP6.
Взаимодействие сначала привлекло их внимание, потому что оно было таким сильным, но RBBP6 оказался особенно интересным белком, потому что он появился на других картах взаимодействия вирус-белок, что привело Крогана к мысли, что он играет важную роль в иммунной системе.
Оказалось, что RBBP6 имитирует другой белок вируса Эбола под названием NP. VP30 и NP должны связываться друг с другом для репликации вируса Эбола. Однако человеческий белок RBBP6 прерывает этот процесс, вместо этого присоединяясь к VP30. Таким образом, блокируя связь между двумя белками Эбола, RBBP6 эффективно останавливает репликацию вируса.
К своему удивлению, исследователи не обнаружили, каким образом вирус атакует хозяина (в данном случае клетки человека). Скорее, они нашли способ для хозяина отразить вирус.
"Мы часто находим вирусные белки, которые эволюционировали, чтобы имитировать человеческие белки, но здесь все наоборот," сказал Джоти Батра, доктор философии.D., один из первых авторов статьи и докторант в Гладстоне, ранее работавший в лаборатории Баслера в Университете штата Джорджия. "Похоже, что у нашего организма есть естественный способ бороться с инфекцией Эбола, и вирус не обошел его. Имейте в виду, что у нас все еще нет отличных механизмов для борьбы с лихорадкой Эбола, но без этой защиты вирус был бы еще более опасным."
Чтобы проверить эту теорию, Батра работал с другим первым автором исследования Джаддом Халтквистом, доктором философии.D., который проводил исследование в качестве постдокторанта в лаборатории Крогана в Гладстоне и UCSF, а сейчас является доцентом в Медицинской школе им. Файнберга Северо-Западного университета. Вместе они сконструировали клетки человека, которые либо не имеют белка RBBP6, либо имеют гораздо более высокие уровни, чем обычно. Затем они заразили клетки вирусом Эбола. В клетках без защитного белка уровень инфицирования увеличился в пять раз. Но клетки с лишним белком сильно предотвратили заражение вирусом.
Команда Крогана сейчас работает над поиском лекарств, которые могут имитировать эффекты RBBP6 для борьбы с инфекцией Эбола. "Это ключевое взаимодействие," сказал Кроган. "Вопрос в том, можем ли мы манипулировать им эффективным фармакологическим способом, чтобы он имел терапевтическую ценность."
Победа над денге и вирусом Зика
Во втором документе лаборатория Крогана работала с исследователями из Медицинской школы Икана на горе Синай и Медицинского колледжа Бейлора. Они исследовали родственные вирусы денге и Зика, которые передаются комарами и вызывают схожие клинические симптомы.
Ученые предположили, что если два вируса взаимодействуют с человеческими белками одинаковым образом, то нацеливание на эти взаимодействия с белками может быть лучшим способом борьбы с инфекциями. Они также составили карту взаимодействия между вирусом Денге и белками комаров, чтобы сравнить их с картами белков вируса человека.
"Есть что-то действительно захватывающее в вирусе, который может делать то же самое с двумя организмами, человеком и комаром, которые разошлись на протяжении сотен миллионов лет эволюции," сказала Прия Шах, доктор философии.D., доцент кафедры химической инженерии, микробиологии и молекулярной генетики в Калифорнийском университете в Дэвисе, которая проводила исследование, когда была научным сотрудником в Калифорнийском университете. "Вирус реплицируется практически одинаково как в клетках человека, так и в клетках комаров. Итак, если мы сможем сосредоточиться на общих частях этих клеток, которые используются вирусом, мы сможем идентифицировать потенциально мощную терапевтическую мишень."
Сравнивая три карты, ученые идентифицировали одно взаимодействие, которое произошло у обоих вирусов и обоих видов хозяев: вирусного белка NS4A и белка хозяина SEC61. Известно, что SEC61 играет решающую роль в некоторых формах рака, и коллега Крогана из UCSF, Джек Тонтон, доктор философии.D., ранее разработали соединения, нацеленные на эти белки, как потенциальные противораковые препараты. Когда соединения были добавлены к клеткам человека и комаров, они эффективно уничтожили инфекции денге и вируса Зика.
"Мы разработали соединение на ранней стадии, которое обладает очень мощным противовирусным действием против вируса Зика и денге в клетках человека и комаров," сказал Тонтон, профессор кафедры клеточной и молекулярной фармакологии UCSF. "Теперь нам нужно настроить молекулу, чтобы оптимизировать ее безопасность и эффективность, прежде чем ее можно будет протестировать на пациентах."
"Вот отличный пример перепрофилирования соединения, первоначально разработанного для одной болезни, и его использования для воздействия на другое заболевание," сказал Кроган. "Это возвращает нас к более широкой картине: просматривая эти наборы данных и болезни, мы можем найти новые связи и инновационные решения."
Понимание того, как вирус Зика вызывает микроцефалию
Хотя денге и вирус Зика очень похожи, только вирус Зика вызывает разрушительную микроцефалию врожденного порока. Итак, в последней серии экспериментов команда Крогана искала примеры, в которых белки вируса Зика взаимодействовали с белками человека, а белки денге – нет.
Особенно выделялось одно взаимодействие между белком Зика NS4A и человеческим белком ANKLE2, который важен для развития мозга. Мутации в ANKLE2 ранее были связаны с наследственной микроцефалией.
Ученые обнаружили, что белок Зика, по-видимому, подавляет функцию ANKLE2, что в конечном итоге ухудшает развитие мозга и приводит к микроцефалии. Исследователи планируют использовать эти знания, чтобы начать разработку способов нацеливания на ANKLE2 для предотвращения микроцефалии, связанной с вирусом Зика.
Ищем совпадения
Эти два исследования дали ученым многообещающие возможности либо разработать новые методы лечения лихорадки Эбола, денге и Зика, либо перепрофилировать существующие. Путем нацеливания на белковые взаимодействия, выявленные в двух исследованиях, особенно на человеческие белки RBBP6 и SEC61, исследователи смогли уничтожить все три вируса из человеческих клеток, что стало решающим началом в разработке потенциальных методов лечения заболеваний.
Исследования будут продолжены в рамках Программы исследования вирусных и инфекционных заболеваний BioFulcrum в Гладстоне и Инициативы по картированию основных патогенов в UCSF, которая недавно была поддержана грантом центра Национальных институтов здравоохранения в размере 8 миллионов долларов на туберкулез и стафилококк. В рамках двух широкомасштабных исследовательских программ ранее были составлены карты белок-белкового взаимодействия для ВИЧ, туберкулеза, вируса гепатита С, вируса герпеса, вируса папилломы человека и хламидиоза.
"Мы начинаем видеть, что белки, захваченные разными вирусами, частично совпадают," сказал Кроган. "Более того, эти же белки часто мутируют при заболеваниях с генетическими корнями, таких как рак и аутизм. Чем больше общих черт мы сможем найти между, казалось бы, не связанными друг с другом заболеваниями, тем лучше мы сможем определить методы лечения этих разрушительных состояний."
Первое исследование, опубликованное в Cell, озаглавлено, "Картирование белковых взаимодействий идентифицирует RBBP6 как негативный регулятор репликации вируса Эбола."
Вторая публикация, "Сравнительное картирование взаимодействия флавивируса и белка-хозяина раскрывает механизмы патогенеза вируса денге и вируса Зика," был опубликован в том же номере Cell.