Вирус — это хакер, взламывающий программу клетки
Вирусы, возможно, сохраняют некоторые черты предшественников жизни на нашей планете. Однако мы знаем их прежде всего как возбудителей опасных заболеваний. Почему не удаётся их победить? Почему от бактериальных инфекций создаются эффективные препараты, а в случае с вирусами это сделать намного сложнее? Что известно о механизмах взаимодействия вирусов с клеткой? Удастся ли создать по-настоящему эффективные противовирусные средства?
Рассказывает кандидат биологических наук Сергей Дмитриев, заведующий отделом взаимодействия вирусов с клеткой НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ. Беседу ведёт Наталия Лескова.
— Сергей Евгеньевич, чем вызван ваш интерес к теме взаимодействия вирусов с клеткой?
— Вирусы, как известно, не могут жить сами по себе: во внешней среде они выглядят как неживые молекулы, и только попадая внутрь клетки, за счёт её молекулярных систем и ресурсов, они начинают размножаться — делать копии самих себя. Интересно понять, как устроено это взаимодействие между вирусом и «порабощённой» им клеткой хозяина.
Вирусы в этом плане весьма изощрённы. Многие механизмы, имеющиеся у клетки, они умудряются поставить себе на службу, заставляя их работать совсем по-другому. Мне, как молекулярному биологу, это интересно не только с точки зрения вирусологии. Ведь изучая биологию вирусов, мы часто заодно узнаём и о каких-то новых, «экстремальных» аспектах функционирования наших собственных клеток, которые проявляются только при заражении.
— То есть вирусы способны, подобно хакерам, перепрограммировать клетку?
— Именно так. Вирусы применяют много разных хитростей, с помощью которых им удаётся поставить клеточные механизмы себе на службу. Всем этим «трюкам» они «научились» в ходе эволюции. Часть их направлена на то, чтобы заставить белок-синтезирующий аппарат клетки нарабатывать вирусные белки вместо того, чтобы обслуживать нужды хозяина. Это особенно актуально для РНК-содержащих вирусов, которыми мне и моим коллегам приходится заниматься больше всего. Все привыкли, что наследственная информация хранится в ДНК, в нужный момент с неё считываются копии РНК, а с них затем синтезируются белки. Есть вирусы, у которых реализация генетической информации организована так же, но есть и такие, которые существуют только в виде РНК. Таких вирусов, возможно, даже больше, чем ДНК-содержащих. Считается, что наша жизнь, скорее всего, изначально зародилась именно в виде РНК, и некоторые РНК-вирусы в каком-то смысле, отдельными своими частями, похожи на наших далёких предков. Но все эти миллиарды лет они, разумеется, эволюционировали, подстраивались под всё усложняющиеся формы клеточной жизни и обменивались с клетками генами и регуляторными элементами*.
* Регуляторными элементами называют некодирующие последовательности в ДНК или РНК, влияющие на активность генов.
— Клетка как-то может понять, что в неё проник такой вирус?
— Нормальные клеточные мРНК в процессе синтеза снабжаются некими метками, которые требуются им в последующей «жизни» для эффективной работы и для того, чтобы клетка могла отличить «свои» молекулы РНК от «чужих», вирусных. В качестве этих меток выступают метильные группы и модифицированные нуклеотиды. Если клетка обнаружит чужеродную РНК без этих меток, она должна её уничтожить и включить «сигнал тревоги», чтобы быстро перестроить свою программу для борьбы с патогеном и дать знать окружающим клеткам, что она заражена. Но полностью уничтожить размножающийся вирус внутри клетки довольно сложно. Поэтому, если клетка обнаруживает, что инфицирована, то ей зачастую приходится жертвовать собой во имя спасения всего организма в целом. Обнаружив в цитоплазме РНК без тех самых меток, клетка включает стрессовый ответ, а затем запускает механизм самоубийства и погибает вместе с попавшим в неё патогеном.
— Каким же образом вирусы обходят механизмы клеточной защиты?
— Вирусы стремятся выдать свои РНК за клеточные или воспрепятствовать ответу, который может им всё испортить. Например, у ряда вирусов есть ферменты, которые добавляют похожие метки к вирусным РНК либо воруют кусочки РНК с метками у клеточных транскриптов**. Так делают, например, коронавирусы или вирус гриппа. В других случаях они кодируют специальные белки, препятствующие включению гибельной сигнализации. Это, конечно, лишь немногие из «хитростей», применяемых вирусами.
** Транскрипцией называют синтез РНК-копии на участке ДНК, транскрипт — РНК, получившаяся в результате транскрипции.
А вот ещё один пример их изобретательности. Одна из меток, о которых шла речь выше, находится в самом начале мРНК и называется «кэп» — по-английски «шапочка». Это сложная модификация, она появляется у клеточных мРНК ещё во время их синтеза в ядре и нужна, помимо всего прочего, для привлечения рибосомы — большой молекулярной машины, которая и будет синтезировать белок.
Но если вирус размножается в цито-плазме (как многие РНК-содержащие вирусы), то он не имеет доступа к ферментам, синтезирующим кэп. А когда у мРНК нет «шапочки», с неё не только не может синтезироваться белок, но и сама эта РНК быстро деградирует. Однако некоторые вирусы «придумали» такую хитрость: в ходе эволюции они приобрели специальные участки РНК, которые связывают те же самые клеточные компоненты, что и кэп, только делают они это совсем другим, необычным способом. Такие участки есть в РНК пикорнавирусов — к ним относится, например, возбудитель полиомиелита. Особое коварство этого вируса заключается в том, что он ещё и кодирует специальные белки, которые портят ненужную ему часть клеточного кэп-связывающего аппарата. Тем самым он убивает сразу двух зайцев: обеспечивает трансляцию своей мРНК и блокирует синтез клеточных белков. Дополнительный «бонус» — независимость от сигнальных путей, регулирующих активность кэп-зависимой трансляции.
Мы как раз изучаем подобные участки (они называются IRES-элементами) в РНК разных вирусов и пытаемся понять, как им удаётся привлекать рибосому и сажать её не на начало мРНК, как обычно, а на внутреннюю её часть. И загадок здесь хватает.
Вообще-то замена кэпа — это не главное свойство IRES-элементов: среди них есть и такие, которые не привлекают кэп-связывающие белки (например, IRES вируса гепатита С). И наоборот: связывания каких-то компонентов белок-синтезирующего аппарата недостаточно, чтобы посадить рибосому внутрь мРНК. Кроме того, большим и сложно устроенным IRES-элементам (как у пикорнавирусов) для работы зачастую требуются дополнительные клеточные белки, хотя тот же IRES вируса гепатита С, вероятно, обходится без них. Здесь встаёт вопрос о том, почему в случае пикорнавирусов эволюция не пошла по пути максимального упрощения системы: ведь просто устроенные IRES-элементы позволяют вирусным мРНК обходиться меньшим набором клеточных компонентов и могли бы сделать их трансляцию более устойчивой к антивирусным механизмам. Возможно, разгадка кроется в сложных отношениях этих вирусов с организмом-хозяином, где им приходится взаимодействовать с клетками различных органов и тканей.
— Какими методами вы пользуетесь в своих исследованиях?
— Наше кредо — не отказываясь от классических подходов, привнести в эту область самые современные технологии, в том числе методы системной биологии. Один из них — CRISPR/Cas-опосредованный генетический скрининг. CRISPR/Cas — это наиболее эффективный инструмент редактирования генома, за разработку которого в позапрошлом году присуждена Нобелевская премия по химии (см. статью «Редактор для генома», «Наука и жизнь» № 12, 2020 г. — Прим. ред.). С его помощью в том числе можно посмотреть, какие гены нужны для того или иного процесса.
Суть метода CRISPR-скрининга заключается в том, что мы вносим направленные мутации в большую популяцию культивируемых клеток, причём делаем это таким образом, что в каждой из этих клеток выключается какой-то один ген, везде разный, — но мы всегда можем узнать, в какой клетке какой ген был выключен. Потом к клеткам с выключенными генами можно применить какое-либо воздействие, которое в норме их убивает. Например, заразить цитопатическим вирусом. Если какие-то клетки при этом выживут — значит, в них были сломаны гены, необходимые вирусу для заражения или продуктивной инфекции. Такие клетки можно размножить и с помощью секвенирования нового поколения выяснить, какие это были гены.