биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Залезть в карман к простуде

[20 ноября, 2013 г.]

Лечение простуды — дело привычное как для обывателей, так и для врачей с фармацевтами. Существует масса народных средств и рецептов, множество препаратов на аптечных прилавках, а также устойчивый стереотип: если лечить, пройдет за неделю, а если нет — болеть придется дней семь. Простудные заболевания вызываются преимущественно вирусами, разработать лекарство против которых бывает затруднительно, если не удалось до этого определить кристаллическую структуру белков вирусной оболочки, к которым и требуется подобрать молекулу, способную вывести их из строя. Однако уже довольно давно стало возможным выбирать нужный путь в разработке препарата, используя компьютерное молекулярное моделирование. Группе ученых из Висконсинского университета в Мэдисоне удалось при помощи моделирования целого вирусного капсида показать, почему разработка противопростудных препаратов шла не так эффективно, как хотелось бы.

Простуда — не самое тяжелое заболевание, однако ущерб оно все равно наносит изрядный, поскольку распространено очень широко, не дает людям нормально работать и может вызывать осложнения, с которыми не всегда просто справиться. Одними из основных возбудителей простуды являются риновирусы — представители рода энтеровирусов семейства пикорнавирусов [1]. Это маленькие РНК-содержащие вирусы, имеющие капсид, состоящий из четырех структурных белков, и не несущие липидной оболочки.

Риновирусы описаны достаточно хорошо. Известно, что среди них можно выделить несколько групп, к каждой из которых относятся десятки описанных серотипов. Лучше всего изучены типы RV-A и RV-B, для которых доступно множество кристаллических структур, часть из которых содержит и клеточный рецептор к вирусу [2]. Разнообразие и изменчивость риновирусов делает нецелесообразной разработку вакцин, тогда как разработка препаратов, которые блокировали бы определенные стадии жизненного цикла вируса, идет относительно успешно.

Хуже дело обстоит с риновирусами типа RV-C, которые были обнаружены сравнительно недавно и изучены куда слабее. Этот тип оказывается довольно ощутимой проблемой преимущественно для педиатров, поскольку в 50% случаев отвественен за риновирусные инфекции у детей. Трудность в том, что, несмотря на свою структурную схожесть с другими риновирусами, RV-C плохо культивируются в доступных клеточных системах, используют нетипичные рецепторы для попадания в клетки и не поддаются терапии теми препаратами, которые разработаны для типов А и В [3]. Вопрос с препаратами можно было бы разрешить, если бы удалось легко получить кристаллическую структуру вирусной частицы, однако этого пока не сделано. Зато удалось сделать весьма достоверную трехмерную модель, которая, похоже, дает ответ на то, почему известные лекарства не работают.

Рисунок 1. Схема поверхности риновируса. Картинка: Drunk Monkeys.

Пикорнавирусы имеют икосаэдрические капсиды, сборка которых начинается с того, что структурный белок VP1 образует пентамеры, которые в зрелой частице окажутся в вершинах икосаэдра, имеющих пятилучевую симметрию. К пентамерам белка VP1 примыкают белки VP2 и VP3, которые образуют вершины икосаэдра с трехлучевой симметрией. Между пентамерами и белками VP2 и VP3 образуется углубление, которое называется каньон. В этом каньоне у большинства пикорнавирусов есть так называемый карман — пространство, в которое при упаковке вируса попадает небольшая молекула, обычно некий липид. Этот липид, или «карманный фактор», нужен для того, чтобы стабилизировать капсид вне клетки. Как только вирус связывается с нужным рецептором и попадает в клетку, фактор выходит из кармана, запуская распаковку частицы и делая возможным проникновение РНК в цитоплазму [4].

Рисунок 2. Схема взаимодействия клеточного рецептора с каньоном пикорнавируса. Картинка: Virology online.

Механизм действия лекарств от риновирусов, как и от других пикорнавирусов, часто построен на том, что молекула препарата замещает исходный фактор, связываясь с карманом гораздо прочнее [5]. Это не дает вирусу возможности распаковаться и запустить внутриклеточную часть своего жизненного цикла.

В случае с риновирусом С, компьютерная модель, построенная коллективом из Университета штата Висконсин в Мэдисоне под руководством доктора Энн Палменберг, позволила понять, что каньон и карман у исследуемых риновирусов принципиально отличается по своей структуре от соответствующих областей других пикорнавирусов, против которых существует ряд препаратов [6]. Этих отличий хватает для того, чтобы ни одно из имеющихся лекарств не действовало на риновирусы С с достаточной эффективностью.

Рисунок 3. Рисунок из работы группы Энн Палменберг демонстрирует область каньона и кармана риновирусов А, В и С с помещенной в него молекулой препарата плеконарила, при этом для А и В показаны структуры, полученные с помощью кристаллографии (Записи 1AYM и 4RHV в базе данных Protein Data Bank, соответственно), а для вируса С показана модель. Врезка D демонстрирует выравнивание аминокислотных последовательностей соответствующих областей в структурных белках. Фиолетовым цветом отмечена аминокислота тирозин, распространенная в определенной позиции в вирусах RV-C. Она, как предполагают ученые, мешает известным лекарственным препаратам блокировать карман этих вирусов.

Модель, созданная группой доктора Палменберг, делалась на основе сравнения аминокислотных последовательностей белков риновирусов А и В, для которых известны структуры, с последовательностями белков риновирусов С, для которых структуры не определены. Всего в анализ было взято порядка 350 последовательностей. В результате удалось предсказать, какие аминокислоты риновирусов С будут образовывать карман. После этого, на основе уже имеющихся кристаллических структур других риновирусов, с использованием методов молекулярного моделирования была построена трехмерная модель, демонстрирующая невозможность тестировавшихся до этого лигандов проникать внутрь кармана.

Эта работа отчасти объясняет затруднения, которые имеются на пути разработки эффективных лекарств от простуды. Также подход и методы, избранные группой, демонстрируют растущую роль компьютерного моделирования в разработке лекарственных препаратов.

По материалам оригинальной статьи [6] и пресс-релиза [7]; см также [8].

Простуда и грипп

Понятия «простудиться» и «загрипповать» стали в общественном сознании синонимами. Не все знают, что грипп — это лишь один из вирусов, способных вызывать характерные для простуды симптомы. Помимо риновирусов, которым посвящена эта новость, и гриппа, среди возбудителей простуды есть коронавирусы, парагрипп, энтеровирусы и аденовирусы. В зависимости от сезона и популяции, каждый из них отвественен за 5–10% простуд, хотя эти цифры приблизительны и могут довольно сильно варьировать.

Грипп привлекает наибольшее внимание исследователей, поскольку из-за своей изменчивости и большого количества штаммов, заражающих разных животных, он потенциально способен вызывать крайне тяжелые эпидемии и пандемии, как уже бывало не раз, например с эпидемией испанского или гонконгского гриппа. Биомолекула неоднократно писала про разные аспекты исследования гриппа и будет делать это впредь.

Литература

  1. Palmenberg A.C., Spiro D., Kuzmickas R., Wang S., Djikeng A., Rathe J.A., Fraser-Liggett C.M., Liggett S.B. (2009). Sequencing and analyses of all known human rhinovirus genomes reveal structure and evolution. Science 324, 55–59;
  2. Полиовирус и риновирус в рубрике «Молекула месяца»;
  3. Bochkov Y.A., Palmenberg A.C., Lee W.M., Rathe J.A., Amineva S.P., Sun X., Pasic T.R., Jarjour N.N., Liggett S.B., Gern J.E. (2011). Molecular modeling, organ culture and reverse genetics for a newly identified human rhinovirus CNat. Med. 17, 627–632;
  4. Smyth M.S., Martin J.H. (2002). Picornavirus uncoating. Mol. Pathol. 55, 214–219;
  5. Hayden F.G., Herrington D.T., Coats T.L., Kim K., Cooper E.C., Villano S.A., Liu S., Hudson S., Pevear D.C., Collett M., McKinlay M., Pleconaril Respiratory Infection Study Group. (2003). Efficacy and safety of oral pleconaril for treatment of colds due to picornaviruses in adults: results of 2 double-blind, randomized, placebo-controlled trials. Clin. Infect. Dis. 36, 1523–1532;
  6. Basta H.A., Ashraf S., Sgro J.-Y., Bochkov Y.A., Gernb J.E., Palmenberg A.C. (2014). Modeling of the human rhinovirus C capsid suggests possible causes for antiviral drug resistance. Virology 448, 82–90;
  7. Новость на сайте Висконсинского университета;
  8. биомолекула: «Держите ноги в тепле».

Автор: Стефанов Юрий.

Число просмотров: 955.

Вернуться в раздел «Новости»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.