«Костыль» для нейраминидазы

[10 июня, 2010 г.]

Способность вирусов меняться и вырабатывать резистентность к лекарствам стала притчей во языцех. Так, несколько лет назад «сдалось» очередное популярное лекарство Тамифлю: большинство сезонных штаммов гриппа на Земле вдруг приобрели мутацию His²⁷⁴→Tyr²⁷⁴ в белке нейраминидазе, на блокирование которой и направлен препарат. Что самое интересное, эту мутацию, придающую устойчивость к лекарству, знали и раньше, однако считалось, что такая нейраминидаза сама по себе «дефектна», и вирус-мутант не может эффективно размножаться. Американские учёные установили, что «костылём», компенсирующим дефект от этой мутации, стала другая мутация, восстанавливающая активность нейраминидазы. Открытие этого эволюционного приспособления поможет предсказать появление резистентности и в других штаммах вирусов.

• версия для печати
• обсуждение (1)

Естественный отбор — основная движущая сила эволюции — явно играет вирусам на руку: любое лекарство, эффективное в первые годы после выпуска, теряет свои качества спустя довольно короткий промежуток времени из-за выработки адаптаций, обусловливающих резистентность. Фактически, применение лекарств только ускоряет эволюцию вирусов. Картинка: gregwake @ Flickr.

Большинство антивирусных препаратов — в том числе и популярное лекарство от гриппа Тамифлю (действующее вещество осельтамивир, производится с 1999 г. фирмой Рош) — действует непосредственно на вирусную частицу, а не пытается «подстегнуть» иммунитет хозяина. Жизненный цикл вируса гриппа состоит из нескольких этапов. Сначала вирусная частица «заякоривается» на поверхности эпителиальных клеток заражаемого организма, покрытой сиалогликорецепторами, и «вскрывает» мембрану при помощи белкá гемагглютинина. (Именно этап проникновения в клетку отвечает за специфичность действия вируса —  см., например, «Объяснена различная вирулентность вирусов гриппа — возбудителей „испанки“» [1].) За этим следует цикл внутриклеточной репликации и сборки новых вирусных частиц. Покидая клетку, «новорожденные» вирусы опять взаимодействуют с сиаловыми кислотами клеточной мембраны, и, чтобы окончательно «порвать» с клеткой, вирус использует нейраминидазу, расщепляющую сиаловую кислоту. Существующие лекарства от гриппа вмешиваются либо в начальный, либо в конечный этапы этого процесса; так, тамифлю ингибирует нейраминидазу (молекула препарата блокирует активный сайт белкá) и предотвращает расщепление сиаловых кислот, что приводит к тому, что вирус не может покинуть клетку и завершить цикл своего размножения.

Уже довольно давно известно, что специфическая мутация в нейраминидазе — His²⁷⁴→Tyr²⁷⁴ (H274Y) — может придавать вирусу резистентность по отношению к осельтамивиру — фермент с такой мутацией уже не блокируется лекарством, однако по-прежнему расщепляет сиаловую кислоту. Впрочем, особых тревог это не вызывало: по не совсем понятным причинам, такие вирусы были «дефектными» и, хотя и обладали устойчивостью к лекарству, не могли размножаться с той же эффективностью, что их «дикие» собратья, и такие штаммы не принимались в расчёт. Однако в течение сезона 2007–2008 по всему миру вдруг объявились сезонные штаммы гриппа H1N1, обладающие устойчивостью к тамифлю и несущие «ту самую» мутацию H274Y. Что же произошло? Что позволило вирусу с дефектной (хотя и резистивной) нейраминидазой опять стать активным?

На этот вопрос отвечают американские учёные из Калифорнийского технологического института под руководством известного вирусолога Дэвида Балтимора, открывшего РНК-содержащие вирусы и явление обратной транскрипции (за свои работы 1975 году он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине). «Очевидно, мы наблюдаем акт эволюционной адаптации», — говорит Джесс Блум (Jesse Bloom), первый автор исследования [2]. — «Что-то случилось с устойчивым к тамифлю вирусом, который приобрёл в результате способность распространяться не хуже вирусов дикого типа».

Сначала учёные выяснили, что же происходит с нейраминидазой, несущей мутацию H274Y, что такие вирусы не могут эффективно распространяться. Эта мутация находится в стороне от активного сайта фермента, а значит, не может напрямую участвовать в связывании сиаловых кислот. Исследователи исходили из предположения, что эта мутация имеет термодинамическую природу — то есть, из-за небольших конформационных перестроек снижает стабильность белка. В эксперименте по изучению мутантной нейраминидазы в культурах клеток обнаружилось, что активность одиночной молекулы фермента не снижается, но вместо этого «дефектная» нейраминидаза хуже достигает поверхности клетки (где она и проявляет свою активность, расщепляя сиаловые кислоты) [2].

«Теперь, если бы мы нашли мутацию, компенсирующую эффект первой (H274Y), мы бы получили нормально размножающийся, и при этом устойчивый к осельтамивиру штамм», — заключает Блум. — «И это плохо — для нас, а не для вируса» [3]. Учёные применили разработанный ранее метод теоретического предсказания увеличения стабильности белков [4], и спроектировали мутацию R194G, которая компенсировала действие первой! «Дважды мутантная» нейраминидаза оказалась столь же активной, как и фермент дикого типа, и по-прежнему не блокировалась осельтамивиром (то есть, была резистивной).

Исследование генетических последовательностей современных штаммов гриппа позволило установить, что в природе произошло ровно то же самое: «резистентную» мутацию сопровождал «костыль» — другая мутация, которая компенсировала дефект, вызываемый мутацией № 1. Интересно, что в результате филогенетического анализа выяснилось, что мутации-«костыли» во всех случаях уже были в популяции к моменту появления «резистивной» мутации H274Y, что и стало причиной появления устойчивости к лекарству.

«Наша работа показала, как понимание молекулярных механизмов эволюции плюс современные технологии генетического секвенирования исторических изолятов вирусных штаммов дают нам осознание опасности, которую представляют вирусы для глобальной популяции», — говорит Балтимор. — «Только если зарядить в обойму всю доступную информацию, можно понять, откуда у вирусов появилась способность нести мутации, прежде считавшиеся разрушительными. Кстати, мутации могут не быть обязательно „плохими“ или „хорошими“, —  их эффект часто зависит от контекста, в которых они возникают» [3].

Мутация H274Y пока не добралась до «птичьего» H5N1 или «свиного» H1N1 гриппа [5], — устойчивость к осельтамивиру широко распространена только в сезонных штаммах. «Понимание эволюционных приспособлений, которые мы изучили на примере сезонных штаммов, поможет нам найти условия, необходимые для распространения мутации H274Y среди штаммов птичьего и свиного гриппа, а значит — и найти способ как-то помешать этому», — надеется на лучшее Блум [3].

Литература

1. биомолекула: «Объяснена различная вирулентность вирусов гриппа — возбудителей „испанки“»;
   
2. Bloom J.D., Gong L.I., Baltimore D. (2010). Permissive secondary mutations enable the evolution of influenza oseltamivir resistance. Science 328, 1272–1275;
   
3. ScienceDaily — “Molecular Explanation for the Evolution of Tamiflu Resistance”;
   
4. Bloom J.D., Glassman M.J. (2010). Inferring Stabilizing Mutations from Protein Phylogenies: Application to Influenza Hemagglutinin. PLoS Comput. Biol. 5, e1000349;
   
5. биомолекула: «Уроки свиного гриппа».

© 2007–2012 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k12.

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.