В раздел иллюстрации

Вирус гриппа: научно достоверная 3D-модель

Первая научно достоверная 3D-модель вируса гриппа человека в атомном разрешении — возможность получить наиболее полное на сегодняшний день представление о строении возбудителя всем знакомого заболевания

Первая в мире полная достоверная модель вируса гриппа A/H1N1 с атомным разрешением, созданная в рамках проекта компании Visual Science — «Зоопарк вирусов» (Viral Park) при участии Национального центра биотехнологии в Мадриде. Цель проекта — построение научно достоверных 3D-моделей распространённых вирусов человека с максимальной детализацией. Сложность задачи заключается в том, что ни один из научных подходов, применяемый по отдельности, не позволяет получить изображение целой вирусной частицы с разрешением до атомов или хотя бы молекул. Современные методы дают информацию о строении крошечных, зачастую неполных фрагментов или очень грубые изображения целой частицы. Специалисты Visual Science собирают воедино данные огромного количества работ по молекулярной биологии, вирусологии и кристаллографии вирусов, мнения экспертов ведущих научных центров мира и результаты молекулярного моделирования, полученные научным отделом компании.
Вирус гриппа — это широко распространенный, легко передающийся и быстро эволюционирующий возбудитель заболевания. Симптомы гриппа могут напоминать признаки обычной простуды, однако болезнь чревата осложнениями, которые особенно опасны для маленьких детей, пожилых людей и тех, кто страдает хроническими заболеваниями. Новые штаммы гриппа возникают ежегодно. Штаммы — это разновидности вируса, отличающиеся друг от друга двумя поверхностными белками, которые быстро накапливают изменения и тем самым увеличивают их разнообразие. В случае одновременного заражения организма разными штаммами белки могут попадать в формирующиеся в этом процессе новые частицы в произвольных сочетаниях, что вновь ведет к росту разнообразия вирусов. Это, в свою очередь, вызывает дополнительные проблемы с лечением инфекции и увеличивает риск межвидового заражения.
Грипп встречается не только у людей, но и среди животных. Циркулируя в их популяциях, вирус нередко приобретает наиболее неприятные для человека свойства.

История эпидемий гриппа

В прошлом веке случились три серьезные пандемии гриппа — то есть эпидемии, характеризующиеся глобальным распространением инфекции. Первая из них происходила в 1918-1920 годы и была связана с так называемым испанским гриппом (он же «испанка»). В тот момент учёные и врачи не знали, что именно вызывает это заболевание: первые вирусы были выделены в лаборатории лишь спустя 15 лет (детальному изучению возбудителя помешала и Первая мировая война, на конец которой пришлась пандемия). «Испанка» привела к гибели нескольких десятков миллионов человек по всему миру. Две более поздние эпидемии — азиатский грипп 1957-1958 годов и гонконгский грипп 1968-1969 годов — унесли около 2,5 млн жизней.
Успехи в разработке противовирусных препаратов и профилактических мер, а также активный мониторинг распространения и возникновения новых штаммов гриппа позволяют сокращать число жертв и интенсивность эпидемий. Однако и сейчас в результате вызываемых им осложнений погибает от 250 до 500 тысяч человек в год.

Международный проект компании Visual Science «Зоопарк вирусов» — первая успешная попытка создать модели наиболее распространенных и опасных вирусов человека с разрешением до атомов

Задача построения научно достоверной 3D-модели вируса не так тривиальна, как кажется на первый взгляд. Ни один из имеющихся на сегодняшний день научных подходов, будучи применён по отдельности, не позволяет получить изображение целой вирусной частицы в атомном или даже молекулярном разрешении. На молекулярном уровне вирусы представляют собой структуры огромного размера: один вирус — это комплекс сотен макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, в ряде случаев липидов). Несмотря на это, вирусы слишком малы для того, чтобы их можно было досконально изучить, используя электронную и тем более оптическую микроскопию: эти инструментальные методы хорошо подходят для исследования строения существенно более крупных биологических объектов, например клеток. В частности, электронная микроскопия даёт возможность получить грубые изображения, на которых видны лишь контуры вириона (этот метод не всегда позволяет увидеть даже крупные поверхностные белки).
Для изучения отдельных белков широко используются методы рентгеноструктурной кристаллографии и ядерного магнитного резонанса. Полученные с их помощью данные представляют собой пространственные координаты атомов, входящих в состав молекулы, в наиболее энергетически выгодном положении из возможных. В контексте задачи визуализации структуры вириона недостатки этого метода связаны с невозможностью исследования с его помощью более массивных объектов (он неприменим даже к небольшим комплексам нескольких белков) и трудностью изучения подвижных и связанных с мембранами компонентов вируса.
Таким образом, задача создания научно достоверных 3D-моделей напоминает сборку паззла, где в исходном наборе не хватает значительной части фрагментов, отдельные фрагменты являются неполными, а иллюстрация результата, к которому стремятся собирающие паззл исследователи, груба, и потому даёт только общее представление о конечной картине. Тем не менее, сотни работ разных авторов со всего мира проливают свет на многие вопросы структуры и морфологии компонентов вирионов, а также их взаимодействия. При тщательном анализе всех научных работ, с учетом мнений признанных экспертов из мировых научных центров и помощи специалистов Отдела молекулярного моделирования компании Visual Science, устраняющих пробелы в имеющихся исследованиях по молекулярной биологии, вирусологии и кристаллографии, появляется возможность создать максимально точные и достоверные модели вирусов, которые и представлены в проекте Viral Park.

Компоненты вируса: более 200 тысяч молекул 11 типов

Вирион гриппа имеет форму удлинённой по одной из осей сферы диаметром 80-120 нанометров, что в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса. Продолговатую форму вируса определяет слой структурного белка — матрикса. С внешней стороны матрикс окружён мембраной с поверхностными белками (гемагглютинином и нейраминидазой) и ионными каналами. Геном вируса — это восемь молекул РНК в составе спиральных комплексов. Он, как и белки, необходимые для полноценной работы вируса в зараженной клетке, находится внутри частицы.
Гемагглютинин связывается с рецепторами на поверхности клетки, позволяя частице слиться с мембраной клеточной везикулы, проникнуть внутрь нее и доставить геном вируса в цитоплазму.
Нейраминидаза нужна для того, чтобы только что сформированные вирионы могли отделяться от клеточной мембраны и заражать другие клетки.
Белок матрикса — одна из основных структурных молекул вируса. Именно с этим белком связана характерная форма вирусной частицы и расположение в ней внутренних компонентов (что, в свою очередь, детерминирует правильность распаковки и процесса заражения), он же определяет её размеры. Молекулы белка матрикса связываются как с поверхностными белками, так и с нуклеопротеиновыми комплексами вируса, позволяя всем компонентам попадать в частицу.
Белок M2 образует каналы, через которые внутрь частицы проникают ионы водорода после того, как та оказывается в клетке. Это запускает разборку вируса и высвобождение его генома.
Нуклеопротеин упаковывает фрагменты вирусного генома в компактные спирально закрученные комплексы геномной РНК и белка NP — рибонуклеопротеиды (РНП), которые помещаются внутри вирусной частицы.
Белок ядерного экспорта обеспечивает транспорт копий РНК генома из ядра, где они образовались, к месту сборки новых частиц вируса у поверхности зараженной клетки.
Полимеразный комплекс необходим для создания копий РНК вируса, одна часть которых нужна для того, чтобы синтезировать структурные белки, а другая — чтобы упаковываться в новые вирусные частицы. Геном вируса несет информацию, необходимую для синтеза вирусных белков. Он представлен восемью молекулами РНК, отличающимися длиной и набором кодируемых белков.
Мембрана вируса формируется из мембраны клетки, в которой он образовался. В ее состав входят молекулы фосфатидилхолина, фосфатидилэтаноламина, сфингомиелина и холестерина — в характерных для клеток человека пропорциях.

Процесс создания научно достоверных 3Д моделей вирусов

Пространственные структуры некоторого количества белков, входящих в состав вирионов (эта доля варьируется от 25 до 50%), описаны не полностью: проблемы возникают из-за того, что не все белковые молекулы или отдельные их фрагменты возможно кристаллизовать (а это является условием проведения рентгеноструктурного анализа). Обычно в структурах недостаёт подвижных фрагментов молекул, а также трансмембранных участков и гликозильных остатков поверхностных белков. В то же время для комплексов и ансамблей белков в большинстве случаев неизвестно, какие поверхности компонентов формируют контакты друг с другом, а какие — нет. Предсказание и описание таких взаимодействий необходимо при построении любой вирусной частицы (для большей части входящих в неё молекулярных комплексов и структур).
Эти проблемы позволяет решить структурная биоинформатика, основанная на вычислительных методах: в данном подходе используется предсказание пространственной структуры исследуемой молекулы на основе структур схожих или родственных протеинов и исходной последовательности аминокислот, которая в большинстве случаев известна заранее. Кроме того, подобные методы позволяют рассчитать меж- и внутримолекулярные взаимодействия. В компании Visual Science эту задачу решает Отдел молекулярного моделирования и динамики: работающие в нем специалисты — молекулярные биологи и биоинформатики, обладающие научными степенями. Они проводят анализ опубликованных ранее кристаллографических данных (параллельно оценивая точность описания похожих белков), осуществляют моделирование недостающих фрагментов и в результате проводят сборку полных достоверных моделей всех компонентов и комплексов вирусной частицы, комбинируя известные данные с теми, что получены ими в Отделе. Подобный уровень сотрудничества с научным сообществом, а также столь высокая степень вовлечения в этот процесс структурных биологов из числа сотрудников Отдела молекулярного моделирования компании на данный момент недоступны ни одной студии научной и медицинской визуализации в мире — кроме Visual Science.
Дополнительные материалы: научный обзор и панорама 3Д модели вируса гриппа.

Состав

Автор идеи, руководитель проекта, 3D-визуализатор, 3D-технолог:
Иван Константинов
Исследователь, консультант:
Юрий Стефанов (к. б. н.)
Ведущий молекулярный моделлер:
Анастасия Бакулина (к. б. н.)
Молекулярный моделлер:
Дмитрий Щербинин
3D-моделлер:
Александр Ковалевский
Автор популярного текста:
Иван Сорокин, Юрий Стефанов
Веб-технологи:
Кирилл Гришанин, Глеб Кондратенко
Корректоры:
Марина Бельтюкова, Джонатан Эрли

На ранних этапах создания модели гриппа отдельные аспекты строения вируса нам помогли прояснить доктора Хуан Ортин (Испанский национальный центр биотехнологий, Мадрид, Испания), Такеши Нода (Университет Токио, Япония), Роб Ригро (Отдел взаимодействий вируса и клетки, Гренобль, Франция) и Питер Розенталь (Национальный институт медицинских исследований, Лондон, Великобритания. Наша модель в значительной степени построена на основе данных, опубликованных коллективами этих специалистов. Точное строение генома вируса гриппа удалось смоделировать благодаря сотрудничеству с доктором Хайме Мартин-Бенито (Испанский национальный центр биотехнологий, Мадрид, Испания), группа которого добилась уникальных результатов в описании упаковки вирусного генетического материала.

Дата: 21 января 2014

 

Другие вирусы проекта «Зоопарк вирусов»
Вирус иммунодефицита человека
Вирус лихорадки Эбола
Вирус папилломы

Ссылки

  1. Lam T.T., Zhu H. et al., J Virol. 2011 Oct;85(19):10279-85.
  2. World Health Organization, Fact sheet N°211 2009 Apr
  3. U.S. Department of Health & Human Services, Federal government website
  4. Wang Q., Tao E.J., ed., Caister Academic Press (February 1, 2010)
  5. Girard M.P., Tam J.S., et al., Vaccine. 2010 Jul 12;28(31):4895-902.
  6. Novel Swine-Origin Influenza A (H1N1) Virus Investigation Team, et al., N Engl J Med. 2009 Jun 18;360(25):2605-15.
  7. Noyce J.O., Michels H., et al., Appl Environ Microbiol. 2007 Apr;73(8):2748-50.
  8. Bean B., Moore B.M., et al., J Infect Dis. 1982 Jul;146(1):47-51.
  9. Lowen A.C., Mubareka S., et al., PLoS Pathog. 2007 Oct 19;3(10):1470-6.
  10. Kwan-Gett T.S., Baer A., et al., Disaster Med Public Health Prep. 2009 Dec;3 Suppl 2:S109-16.
  11. Rothberg M.B. and Haessler S.D., Crit Care Med. 2010 Apr;38(4 Suppl):e91-7.
  12. Beveridge W.I., Hist Philos Life Sci. 1993;15(1):23-32.
  13. Kawaoka Y., ed., Caister Academic Press (March 1, 2006)
  14. Crane M. and Hyatt A., Viruses. 2011 Nov;3(11):2025-46.
  15. Li G., Wang N., et al., Am J Trop Med Hyg. 2008 Apr;78(4):675-80.
  16. Hilleman M.R., Vaccine. 2002 Aug 19;20(25-26):3068-87.
  17. Graham-Rowe D., Nature. 2011 Dec 7;480(7376):S2-3.
  18. From Wikipedia, the free encyclopedia,
  19. ViralZone, SIB Swiss Institute of Bioinformatics
  20. Noda T., Front Microbiol. 2011;2:269
  21. Nayak D.P., Balogun R.A., et al., Virus Res. 2009 Aug;143(2):147-61.
  22. Calder L.J., Wasilewski S., et al., Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Jun 8;107(23):10685-90.
  23. Roberts P.C. and Compans R.W., Proc Natl Acad Sci U S A. 1998 May 12;95(10):5746-51.
  24. Roberts P.C., Lamb R.A., et al., Virology. 1998 Jan 5;240(1):127-37.
  25. Moscona A., N Engl J Med. 2005 Sep 29;353(13):1363-73.
  26. Palmer R., Nature. 2011 Dec 7;480(7376):S9-10.
  27. Ekiert D.C., Kashyap A.K., et al., Nature. 2012 Sep 27;489(7417):526-32.
  28. Feldmann H., Volchkov V.E., et al., Arch Virol Suppl. 1999;15:159-69.
  29. Magrane M. and the UniProt consortium, P03452 (HEMA_I34A1)
  30. Chu V.C. and Whittaker G.R., Proc Natl Acad Sci U S A. 2004 Dec 28;101(52):18153-8.
  31. Cross K.J., Langley W.A., et al., Protein Pept Lett. 2009;16(7):766-78.
  32. Magrane M. and the UniProt consortium, P06821 (M2_I34A1)
  33. Magrane M. and the UniProt consortium, P03468 (NRAM_I34A1)
  34. Gamblin S.J. and Skehel J.J., J Biol Chem. 2010 Sep 10;285(37):28403-9.
  35. Lew W., Chen X., et al., Curr Med Chem. 2000 Jun;7(6):663-72.
  36. Bloom J.D., Gong L.I., et al., Science. 2010 Jun 4;328(5983):1272-5.
  37. Magrane M. and the UniProt consortium, P03485 (M1_I34A1)
  38. Nayak D.P., Hui E.K., et.al, Virus Res. 2004 Dec;106(2):147-65.
  39. Ruigrok R.W., Schoehn G., et al., J Mol Biol. 2000 Jun 30;300(1):103-12.
  40. Ganser-Pornillos B.K., Yeager M., et al., Curr Opin Struct Biol. 2008 Apr;18(2):203-17.
  41. Veit M. and Thaa B., Adv Virol. 2011;2011:370606.
  42. Hay A.J., Gregory V., et al., Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2001 Dec 29;356(1416):1861-70.
  43. Noda T., Sugita Y., et al., Nat Commun. 2012 Jan 24;3:639.
  44. Arranz R., Coloma R., et al., Science. 2012 Dec 21;338(6114):1634-7.
  45. Ng A.K., Zhang H., et al., FASEB J. 2008 Oct;22(10):3638-47.
  46. Ye Q., Krug R.M., et al., Nature. 2006 Dec 21;444(7122):1078-82.
  47. Dias A., Bouvier D., et al., Nature. 2009 Apr 16;458(7240):914-8.
  48. Sugiyama K., Obayashi E., et al., EMBO J. 2009 Jun 17;28(12):1803-11.
  49. Compans R.W., Content J., et al., J Virol. 1972 October; 10(4): 795–800.
  50. Magrane M. and the UniProt consortium, P03466 (NCAP_I34A1)
  51. Fournier E, Moules V,, Nucleic Acids Res. 2012 Mar;40(5):2197-209.
  52. Paquette J.S., Fortin J.F., et al., J Virol. 1998 Nov;72(11):9329-36.
  53. Cantin R., Fortin J.F., et al., J Virol. 1997 Mar;71(3):1922-30.
  54. Saifuddin M., Hedayati T., et al., J Gen Virol. 1997 Aug;78 ( Pt 8):1907-11.
  55. Shaw M.L., Stone K.L., et al., PLoS Pathog. 2008 Jun 6;4(6):e1000085.
  56. Thorlund K., Awad T., et al., BMC Infect Dis. 2011 May 19;11:134.
  57. Schlütter J., Nature. 2011 Nov 7;480(7376):S6-8.
  58. Mäkelä M.J., Puhakka T., et al., J Clin Microbiol. 1998 Feb;36(2):539-42.

© 2007—2014 Visual Science Company.

Все права защищены.

Visual Science не предоставляет медицинской или юридической консультации.

  • Facebook
  • Vimeo
  • Twitter