Harta modului în care virusul gripal reconfigurează celulele gazdă umane
Cercetătorii de la EMBL Hamburg, împreună cu colaboratorii de la Institutul Leibniz pentru Cercetări în Farmacologie Moleculară (FMP), au realizat o cartografiere detaliată a modului în care virusul gripal A reorganizează celulele umane infectate.
În fiecare an, gripa sezonieră provoacă până la 650.000 de decese la nivel global și afectează grav între 3 și 5 milioane de persoane. Virusul gripal A a fost responsabil pentru mai multe pandemii, inclusiv pandemia de gripă spaniolă din 1918. Când acest virus infectează celulele, el eliberează materialul său genetic, numit ARN, care conține planuri pentru o mână de proteine. Aceste proteine se răspândesc în interiorul celulei gazdă și îi reprogramează mecanismele moleculare pentru a produce mai multe virusuri.
Cercetătorii doresc să înțeleagă acest proces în detaliu, deoarece ar ajuta la dezvoltarea unor terapii medicamentoase și vaccinuri mai eficiente împotriva virusului gripal. De aceea, este esențial să se descopere cum interacționează proteinele virusului gripal cu cele ale celulelor gazdă și cum le subjugă pentru a răspunde nevoilor virusului. Aceasta este prima dată când oamenii de știință au cartografiat contactele directe între proteinele virusului și cele ale gazdei la o scară mare, având suficiente detalii structurale pentru a modela modul în care proteinele se potrivesc.
„Munca noastră oferă o nouă modalitate de a studia interacțiunile virus-gazdă în contextul lor natural și cu o înțelegere structurală. Rezultatele curente reprezintă o instantanee a unui moment din timpul infecției și deschid calea pentru studierea interacțiunilor virus-gazdă pe parcursul întregului ciclu de infecție”, a declarat Jan Kosinski.
Studiul interacțiunilor proteinelor în timpul infecției este o provocare. Cele mai multe studii anterioare s-au bazat pe metode biochimice care aveau o limitare comună: celula trebuia deschisă pentru ca interacțiile să poată fi măsurate. Odată ce compartimentele celulei erau distruse, proteinele care nu au fost niciodată în contact în interiorul celulei se puteau întâlni în eprubetă, iar contactele fragile sau specifice locației puteau fi pierdute. Astfel, era dificil de știut care interacții au avut loc efectiv într-o celulă infectată.
„Aceasta a fost momentul în care am aflat că colaboratorii noștri – Boris Bogdanow și Fan Liu – de la FMP Berlin au dezvoltat o versiune specializată a spectrometriei de masă cu legare încrucișată (XL-MS), o tehnică bine cunoscută pentru cartografierea contactelor proteinelor, adaptată special pentru celulele infectate de virus”, a explicat Kosinski. Aceasta a fost descoperirea cheie, permițând cercetătorilor să facă ceea ce metodele anterioare nu puteau, inclusiv capturarea interacțiunilor efemere și specifice locului.
„XL-MS ne permite să capturăm interacțiunile proteinelor direct în celulele intacte infectate, oferind în același timp informații structurale despre modul în care au loc aceste interacțiuni”, a subliniat Bogdanow. „Aceasta ne oferă o perspectivă asupra interfeței dintre virus și celula umană și poate, prin modelare structurală, să ajute la identificarea unor ținte pentru intervenții farmaceutice viitoare.”
Prin combinarea rezultatelor obținute prin XL-MS cu modelarea structurală computațională, cercetătorii au putut nu doar să identifice care proteine virale și umane interacționează, ci și să prezică modul în care se potrivesc fizic. Pentru aceasta, au folosit o versiune modificată a AlphaFold, algoritmul câștigător al premiului Nobel pentru predicția structurii proteinelor.
„Avantajul cheie al abordării AlphaFold modificate este că ne-a permis să introducem datele noastre experimentale de legare în modelarea structurală”, a explicat Kosinski. „Acest lucru îi spune modelului care părți ale proteinelor virale și gazdă sunt apropiate în interiorul celulelor infectate. Aceasta a fost deosebit de utilă pentru complexe virus-gazdă, care adesea sunt greu de prezis cu exactitate.”
Publicate în Nature Microbiology, rezultatele studiului au dezvăluit două moduri importante în care virusul preia controlul asupra celulei. Primul implică hemaglutinina, o proteină de pe suprafața virusului pe care acesta o folosește pentru a se lega și a pătrunde în celulele gazdă. Cercetătorii au urmărit modul în care hemaglutinina se deplasează prin sistemul intern de transport și procesare al celulei. Aceasta este o rețea de compartimente care modifică și pregătește proteinele înainte de a fi trimise la destinația finală. Asta a dezvăluit cum proteinele gazdă, unele cu funcții anterior necunoscute, au ajutat virusul să plieze și să modifice corect hemaglutinina în timpul infecției.
Al doilea mod implică paraspeckle, compartimente mici asemănătoare unor picături din nucleu. Cercetătorii au descoperit că infecția cu virusul gripal A provoacă dizolvarea acestor organite, eliberând proteinele legate de ARN care se află în interiorul lor, pe care virusul le poate folosi pentru replicare.
„Ceea ce ne-a surprins cel mai mult a fost paraspeckle”, a spus Iuliia Kotova. „Observând aceste organite minusculă din nucleu dizolvându-se, constant în fiecare linie celulară și fiecare tulpină de gripă pe care am testat-o, ne-a spus că aceasta nu este un efect secundar al infecției – ar putea fi o strategie.”
„Există, de asemenea, o a doua posibilă beneficie pentru virus: unele dovezi sugerează că paraspeckle contribuie la răspunsurile celulare de stres și la reglarea genelor antivirale, astfel încât perturbarea lor ar putea slăbi și anumite părți ale răspunsului de apărare al celulei”, a adăugat Kosinski.
Studiul s-a bazat pe infrastructura comună a trei instituții. Experimentele de spectrometrie de masă cu legare încrucișată au fost realizate la Charité în Berlin, analizele glicoproteomicii la Centrul de Proteomică EMBL, modelarea AlphaFold pe Clusterul de Calcul EMBL, iar imagistica microscopică la Facilitatea de Microscopia Avansată cu Lumină și Fluorescență (ALFM) de la CSSB.
Lucrarea evidențiază o nouă modalitate puternică de a studia gripa și arată cum analiza contactelor moleculare în interiorul celulelor infectate vii poate dezvălui atât locul, cât și modul în care virusurile preiau controlul asupra mecanismelor gazdelor. Cercetătorii cred că această abordare de „cartografiere în context” poate fi folosită pentru a înțelege mecanismele de acțiune ale altor virusuri care acționează similar.
„Deși factorii și mecanismele gazdelor diferă adesea de la un virus la altul, credem că abordarea noastră generală – combinând legarea în celule, modelarea structurală și urmărirea biologiei celulare țintite pentru a cartografia interacțiunile native virus-gazdă în etape specifice ale infecției – rămâne în general aplicabilă”, a spus Kosinski.
Bogdanow este de acord: „Deși acest studiu s-a axat pe o tulpină adaptată în laborator,
