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.

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].

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.

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].

Литература

1. Ann C. Palmenberg, David Spiro, Ryan Kuzmickas, Shiliang Wang, Appolinaire Djikeng, et. al.. (2009). Sequencing and Analyses of All Known Human Rhinovirus Genomes Reveal Structure and Evolution. Science. 324, 55-59;
2. D.S. Goodsell. (2001). Poliovirus and Rhinovirus. RCSB PDB;
3. Yury A Bochkov, Ann C Palmenberg, Wai-Ming Lee, Jennifer A Rathe, Svetlana P Amineva, et. al.. (2011). Molecular modeling, organ culture and reverse genetics for a newly identified human rhinovirus C. Nat Med. 17, 627-632;
4. M S Smyth. (2002). Picornavirus uncoating. Molecular Pathology. 55, 214-219;
5. F. G. Hayden, D. T. Herrington, T. L. Coats, K. Kim, E. C. Cooper, et. al.. (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. Clinical Infectious Diseases. 36, 1523-1532;
6. Holly A. Basta, Shamaila Ashraf, Jean-Yves Sgro, Yury A. Bochkov, James E. Gern, Ann C. Palmenberg. (2014). Modeling of the human rhinovirus C capsid suggests possible causes for antiviral drug resistance. Virology. 448, 82-90;
7. Devitt T. (2013). Model virus structure shows why there’s no cure for common cold. University of Wisconsin;
8. Держите ноги в тепле;
9. Победить «дракона»;
10. Ваши личные счеты с гриппом;
11. Молекулярное двурушничество: гены человека работают на вирус гриппа;
12. Пилюля от гриппа: современные противовирусные средства;
13. Объяснена различная вирулентность вирусов гриппа — возбудителей «испанки»;
14. Prasanna R. Kolatkar, Jordi Bella, Norman H. Olson, Carol M. Bator, Timothy S. Baker, Michael G. Rossmann. (1999). Structural studies of two rhinovirus serotypes complexed with fragments of their cellular receptor. EMBO J. 18, 6249-6259.