В раздел анимация

3Д модель вируса гриппа

Штаммы и эпидемии гриппа

Люди, дикие и домашние животные и птицы болеют гриппом по-разному, но многие разновидности вируса (называемые «штаммами») способны заражать несколько видов и передаваться между ними. Отсюда и «животные» названия недавних пандемий гриппа, вызвавших глобальную панику. Впрочем, стоит лишь слегка углубиться в историю, чтобы убедиться в том, что нынешние пандемии оказались гораздо менее опасными, чем случившиеся десятилетиями ранее.

Вирусы гриппа заражают не только людей, но и многих млекопитающих и птиц. Наибольшее число штаммов встречается у водоплавающих птиц, а симптомы заболевания у них чаще всего незаметны (это может говорить о том, что вирус и его носитель давно сосуществуют и развиваются вместе) (1). Отдельные штаммы начинают циркулировать среди людей, попадая перед этим в популяции домашних птиц и скота (2). Сезонные вспышки гриппа, уносящие от 250 до 500 тысяч жизней в год (3), время от времени сопровождаются эпидемиями и пандемиями отдельных новых штаммов вируса, симптомы инфицирования которыми могут быть более серьезными, чем в случае «обычных» штаммов (что повышает и уровень смертности) (4). В прошлом столетии, помимо пандемии испанского гриппа, случилось как минимум две крупные пандемии (азиатский и гонконгский грипп — в 1957 и 1968 годах, соответственно), приведшие к смерти 2-3 млн человек (5). Последняя заметная пандемия — свиного гриппа — произошла в 2009 году и оказалась куда менее смертоносной: её итогом стала гибель 17-18 тысяч человек по всему миру (6). Еще одной атипичной чертой этой пандемии было то, что она началась не в Азии, как это часто бывает, а в Мексике и Калифорнии (7).
Вирусы гриппа передаются воздушно-капельным путём и могут сохранять жизнеспособность в течение 2-8 часов на одежде и бумаге, а на металлических поверхностях — даже до суток (8 и 9). Инфекция легче распространяется зимой, и некоторые исследователи связывают это с тем, что в условиях холодного и сухого воздуха вирус дольше сохраняет вирулентность. Дополнительный фактор — то, что температура в верхних дыхательных путях человека в этот период больше подходит для размножения вируса (10).
Чаще всего от осложнений, вызываемых гриппом, погибают пожилые люди старше 65 лет, дети до двух лет, а также люди с хроническими заболеваниями. Однако следует отметить, что от пандемии свиного гриппа 2009 года погибло аномально большое число молодых людей. Этот факт объясняют тем, что у пожилых людей мог сохраниться иммунитет к схожим штаммам гриппа, которые циркулировали в популяции значительно раньше (11 и 12).
Классификация вирусов гриппа связана с различиями в поверхностных белках.
Вирусы гриппа бывают трех типов — А, В и С, к каждому из них относят десятки штаммов. Наиболее часто встречаются штаммы вируса типа А (13 и 14). Все типы вирусов гриппа относятся к семейству Orthomyxoviridae, к которому также принадлежат вирусы родов Isavirus, вызывающие анемию у лосося (15), и Thogotovirus — его представители заражают человека и могут быть одной из причин энцефалита (16). Классификация штаммов гриппа основана на различии поверхностных белков и их комбинаций. В природных штаммах встречается 16 типов гемагглютининов (H) и 9 типов нейраминидаз (N), но опасны для человека лишь некоторые из них (17). Испанский грипп начала прошлого века и свиной грипп 2009 года были вызваны штаммами гриппа А, гемагглютинины (Н) и нейраминидазы (N) которых соответствуют первому типу, поэтому данную разновидность гриппа можно назвать «А/H1N1». Гонконгский грипп 1968-1969 годов был вызван штаммом H3N2.
При переходе от одного штамма к другому вирулентность и уровень смертности от гриппа сильно варьируются. Так, птичий грипп H5N1, вызвавший региональную эпидемию в Восточной Азии в 1997 году, отличался крайне высоким уровнем смертности среди заболевших (до 50%), однако передавался он весьма неэффективно, и количество заражённых не превысило нескольких сотен человек (18).

Морфология и структурные белки

Из чего построена вирусная частица и что значат буквы «H» и «N»? Название той или иной формы гриппа — это не случайное сочетание символов: оно указывает на то, какие именно разновидности белков двух типов представлены на поверхности вируса. Именно они определяют способность данного штамма заражать те или иные организмы, что связано с вероятностью «узнавания» вируса иммунной системой (эти особенности строения и используются при разработке различных лекарственных препаратов).

Вирусы семейства Orthomyxoviridae имеют липидную оболочку, образованную частью мембраны хозяйской клетки (19 и 20). В мембрану включены поверхностные белки. У вирусов гриппа их два — гемагглютинин (H), необходимый для того, чтобы связываться с клеточными рецепторами и проникать внутрь клетки хозяина, и нейраминидаза (N), которая отрезает новообразованную частицу вируса от клеточных рецепторов и дает ей возможность переместиться к новой клетке. Также мембрана вируса содержит образованные белком М2 каналы — они служат для распаковки частицы в цитоплазме. Под мембраной вируса находится слой матрикса, сформированный структурным белком М1. В центре частицы располагается генетический материал, представленный восемью молекулами РНК, каждая из которых соединена со структурными белками NP (nucleoprotein) и полимеразным комплексом, ответственным за их копирование (5, 21, 22).
Вирусы гриппа могут иметь как сферическую, так и филаментную форму (23). Диаметр сферических частиц сопоставим с диаметром ВИЧ — 80-120 нм. Вариации в форме разных типов и штаммов обусловлены различиями в строении белков матрикса, который располагается непосредственно под мембраной (24 и 25).
Отдельные белки вируса гриппа являются объектом исследования как вероятные мишени для противовирусных препаратов. Так, большое внимание уделяется разработке ингибиторов нейраминидазы, блокирующих работу этого фермента, что не дает новому вирусу покинуть клетку (26). По этому принципу, в частности, работают лекарства Тамифлю и Реленца (27). Разработаны также препараты, мешающие частице распаковываться в цитоплазме зараженной клетки или содержащие антитела к различным типам гемагглютинина (28).
Ключевые белковые молекулы, обеспечивающие жизнедеятельность и воспроизводство вируса гриппа — поверхностный белок гемагглютинин, энзим нейраминидаза и белки матрикса M1.
По принципу строения гемагглютинин напоминает поверхностный белок вируса Эбола (29 и 30). Этот белок является гомотримером, имеющим трансмембранную и поверхностную части, которые связаны между собой дисульфидными связями. Попадание вируса в клетку происходит после того, как гемагглютинин связывается с клеточными рецепторами, несущими сиаловую кислоту (31). Вирус попадает в цитоплазму в составе везикулы. Когда среда внутри везикулы становится более кислой, гемагглютинины меняют свою конформацию и вызывают слияние вирусной мембраны и мембраны везикулы (32). Белки М2 формируют каналы, через которые ионы водорода попадают внутрь вирусной частицы, нарушая взаимодействие между матриксом и генетическим материалом вируса и обеспечивая тем самым возможность последнему попасть в цитоплазму (33). Препараты Ремантадин и Амантадин (а также их аналоги) нацелены на ингибирование белка М2 и предотвращение распаковки вируса — однако, они менее эффективны, чем ингибиторы нейраминидазы, и сейчас их уже редко рекомендуют для лечения гриппа (27).
Работа нейраминидазы важна на завершающих стадиях жизненного цикла вируса. Этот белок состоит из четырех одинаковых субъединиц (34), а его функция заключается в отщеплении терминальных остатков сиаловой (нейраминовой) кислоты от гликозилированных рецепторов, с которыми связывается гемагглютинин. Без этого вновь образованные вирусные частицы не смогут отсоединиться от поверхности хозяйской клетки (35). Отщепление сиаловой кислоты также препятствует повторному заражению клетки другими вирусными частицами. Ингибиторы нейраминидазы, замедляющие распространение вируса в организме, являются действующим компонентом противогриппозных препаратов Занамивира и Озельтамивира (36). Впрочем, озельтамивир (действующее вещество препарата Тамифлю) перестаёт действовать, если в нейраминидазе вируса 274-я аминокислота гистидин меняется на тирозин. Занамивир (действующее вещество препарата Реленца) в этом случае не теряет активности, однако он провоцирует побочные эффекты, поэтому его рекомендуют применять только в тех случаях, когда Тамифлю не действует (27 и 37).
Белки матрикса М1 играют ключевую роль в сборке новых вирусных частиц (38 и 39). Перед формированием новых вирионов они скапливаются с внутренней стороны клеточной мембраны, взаимодействуя при этом как с поверхностными белками, так и с находящимися в цитоплазме комплексами вирусного генома, благодаря чему все компоненты будущего вируса собираются воедино. Наличие матрикса характерно для вирусов с липидной мембраной — таких, например, как ВИЧ или вирус Эбола (40 и 41). Кроме того, этим вирусам присуще почкование из специфических областей клеточной мембраны — липидных рафтов, молекулярный состав которых делает их несколько менее лабильными в сравнении с другими участками мембраны (42).

Внутри вируса: как упакован генетический материал

Основная цель любого вируса — это воспроизводство собственного генома путём создания копий. Информация обо всех структурных и функциональных компонентах вируса находится в РНК. Каждая вирусная частица содержит одну копию генома, компактно уложенную в виде восьми отдельных спиральных структур. Совокупная длина этих молекул рибонуклеиновой кислоты превышает диаметр вируса в N раз. В переносе и хранении генетической информации важную роль играет то, что РНК содержится в вирусе в составе рибонуклеиновых комплексов.

Генетический материал гриппа разделён на части, каждая из которых отвечает за синтез отдельных вирусных белков. Поэтому в случае попадания в одну клетку разных штаммов при сборке новых частиц могут образовываться гибридные штаммы, что ускоряет эволюцию вирусов и осложняет борьбу с ними (43). Сегменты РНК гриппа не равнозначны, и в частицу должен попасть фиксированный набор из восьми разных РНК, каждая из которых выполняет свою функцию. Как это достигается в природе, понятно не до конца. Видимо, между вирусными рибонуклеопротеиновыми комплексами (РНП) существует специфическое взаимодействие, обеспечивающее сборку разных частей генома в нужном составе (44).
Публикации результатов исследований, описывающих структуру вирусных РНП, стали появляться сравнительно недавно. Одну из последних и наиболее детальных работ на эту тему подготовили и опубликовали в журнале Science (45) коллективы лабораторий Джейми Мартина-Бенито и Хуана Ортина. Доктор Мартин-Бенито комментирует специфику их исследований:
Когда мы приступили к изучению структуры полного РНП нативных вирусов гриппа в Национальном центре биотехнологии в Мадриде, вся доступная информация на эту тему была ограничена данными рентгеноструктурного анализа нуклеопротеина без РНК (46 и 47) и фрагментов полимеразы (48 и 49). РНП представляют собой разные по размеру, гибкие и суперскрученные структуры (50), что очень затрудняет исследования. В этой ситуации криоэлектронная микроскопия оказывается уникальным методом, способным выдать приемлемый результат. Основные проблемы были обусловлены различием длины отдельных РНП, а также их подвижностью. Чтобы это преодолеть, мы отдельно анализировали центральные и конечные части РНП, изолированных из выделенных вирионов, после чего проводили их 3D-реконструкцию (45). Здесь наиболее трудным этапом стала классификация полученных изображений. Необходимо было получить гомогенные группы, что позволило бы сделать финальную реконструкцию. Для того чтобы сгенерировать финальную структуру, было использовано более 90 тысяч изображений. Мы потратили на это миллионы часов компьютерного времени«.
Строение и конформации РНП, а также их взаимодействие с другими белками вируса обеспечивают им специфические свойства и функции.
Геном гриппа представлен восемью молекулами РНК негативной полярности и разной длины. Такое число сегментов генома характерно для всех ортомиксовирусов (кроме тоготовирусов, содержащих по шесть молекул РНК). РНК связывается с полимеразными комплексами (48) и белком NP (51), формируя РНП (44). РНП организованы в двойные спирали из двух цепей РНК, ассоциированных с белками НП и расположенных друг против друга (45).
Различие длины разных РНП гриппа обусловлено различиями длин сегментов их РНК. Три наиболее протяженных сегмента имеют длину порядка 2500 нуклеотидов, тогда как длина самого короткого сегмента лишь немногим превышает 800 нуклеотидов. РНП обычно группируются в частице вокруг одного из наиболее длинных РНП таким образом, чтобы полимеразные концы всех РНП оказывались собранными вместе, взаимодействуя при этом с белками матрикса на одном из полюсов вириона. В эту же область попадают и белки NEP, чья функция — экспорт новосинтезированных РНП из ядра клетки к месту сборки вируса.
Одной из проблем, вызывающих сейчас активный интерес сообщества структурных вирусологов, является изучение причин специфической упаковки необходимого набора разных РНП в каждую новую частицу. Считается, что молекулы РНК в составе каждого РНП способны специфически взаимодействовать с РНК соседних сегментов. Мы отразили этот момент в нашей модели, однако конкретные механизмы такого взаимодействия — объект дальнейших исследований (44, 45, 52).
Для многих мембранных вирусов характерно присутствие в вирионах белков, захваченных из клетки хозяина. Так, внутри ВИЧ обнаруживают актин и циклофилин, а в мембране этого вируса присутствуют белки, относящиеся к главному комплексу гистосовместимости, что делает вирус менее уязвимым для иммунной системы (53, 54, 55). Наличие человеческих белков в вирусной частице гриппа на данный момент не продемонстрировано с должной достоверностью, хотя некоторые данные по этому вопросу опубликованы (56).

Как избежать новой «испанки»

Высокая изменчивость и непредсказуемость вируса гриппа рано или поздно может привести к новой пандемии. Во избежание этого предпринимаются разные меры — как на глобальном, так и на локальном уровне.

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и региональные организации в разных странах ведут постоянный мониторинг циркулирующих штаммов гриппа, поскольку год за годом состав сезонных штаммов меняется, пополняясь новыми потенциально опасными вариантами. Изменчивость вирусов гриппа — большая проблема для фармацевтических компаний, разрабатывающих противовирусные препараты (27 и 57). Так, в настоящее время растет процент штаммов гриппа, устойчивых к озельтамивиру.
Профилактические вакцины от гриппа совершенствуются каждый год в зависимости от преобладающих штаммов. Их разрабатывают как с использованием целых инактивированных вирионов, так и на основе фрагментированных вирусных частиц или даже отдельных поверхностных белков. Обычно вакцины направлены на профилактику заражения как штаммами типа А, так и вирусами типа В (58).
Часто присущие гриппу симптомы (повышенная температура, боль в горле и мышцах, головная боль) бывают вызваны и другими вирусами. Среди возбудителей простудных заболеваний есть коронавирусы, риновирусы и аденовирусы (59). Выявление конкретного возбудителя в таких случаях не всегда целесообразно, поэтому подобные заболевания часто относят к группе острых респираторных вирусных инфекций (ОРВИ).

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 (к. ф. м. н.)
3D-моделлер:
Александр Ковалевский
Автор текста:
Юрий Стефанов, Иван Сорокин
Веб-технологи:
Кирилл Гришанин, Глеб Кондратенко
Редакторы-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: 22 января 2014

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

1-212-796-5897 New York City
1-800-978-0759 USA/Canada Toll Free