Опубликовано : Сен 10, 2020

Как новый коронавирус проникает, эксплуатирует и убивает клетки

Как новый коронавирус проникает, использует и убивает клетки
Предоставлено: Джеффри Декостер.

«Знай своего врага», — писал Сунь-Цзы, великий военный мудрец, около 2500 лет назад. Сегодня, когда COVID-19 распространяется по всему миру, величайшая армия ученых-медиков, когда-либо собранных, стремится как можно быстрее изучить все, что может, о SARS-CoV-2, вирусе, стоящем за пандемией.

Вот учебник по вирусам в целом и SARS-CoV-2 в частности. По мере того как исследователи узнают все больше и больше о новом коронавирусе, вызывающем COVID-19, эти знания, полученные в результате непревзойденного научного сотрудничества, обращаются против вируса в режиме реального времени.

Не то чтобы это было простое занятие. По сравнению с лабораторной посудой живые люди сложны. Клетки в этой чашке не такие, как клетки в живых тканях, пораженных SARS-CoV-2. Кроме того, среда, окружающая, скажем, клетку легких в организме человека, отличается от окружающей среды в чашке для культивирования. И еще есть вещь, которая называется «побочные эффекты». Вы не видите их в блюде. Но возможно, у пациента с COVID-19.

Что такое вирус?

Вирусы — самая распространенная форма жизни на Земле, если принять предположение, что они живы. Попробуйте умножить миллиард на миллиард, а затем умножить это на 10 триллионов. Это — от 10 до 31 степени — ошеломляющая оценка количества отдельных вирусных частиц, населяющих планету.

Является ли вирус живым существом? Может быть. Иногда. Это зависит от местоположения. «Вне клетки вирусная частица инертна», — сказал мне вирусолог Ян Каретт, доктор философии, доцент микробиологии и иммунологии. Сам по себе он не может воспроизводить себя или вообще что-либо производить. Это абсолютный паразит.

Или, мягко говоря, это очень эффективно. Вирусы путешествуют налегке, упаковывая только тот багаж, который им абсолютно необходим, чтобы взломать клетку, завладеть ее молекулярными механизмами, размножиться и сбежать.

Практически из каждого правила есть исключения, но у вирусов есть нечто общее, — сказал Каретт.

В дорожный набор вируса всегда входит его геном, то есть совокупность генов, и окружающая его белковая оболочка или капсид, который обеспечивает безопасность вирусного генома, помогает вирусу цепляться за клетки и забираться внутрь, а в некоторых случаях , подстрекает к побегу своего потомка. Капсид состоит из идентичных белковых субъединиц, форма и свойства которых определяют структуру и функцию капсида.

Некоторые вирусы также носят жирные пальто, называемые конвертами, сделанные из украденных клочков мембран последней инфицированной ими клетки. Оболочки есть у коронавирусов, у вирусов гриппа и гепатита С, герпесвирусов и ВИЧ. Риновирусы, которые вызывают большинство простудных заболеваний, а полиовирусы — нет. Вирусы в оболочке особенно презирают мыло, потому что оно разрушает жирные мембраны. Мыло и вода для этих вирусов то же самое, что выдыхание чеснока для вампира, поэтому мытье рук творит чудеса.

Как вирусы проникают в клетки, размножаются и устремляются к выходу?

Чтобы вирус мог распространяться, он должен сначала проникнуть в клетку. Но, по словам Каретт, «проникнуть за периметр клетки непросто». Обычно трудно проникнуть во внешние мембраны клеток без специального прохода. Однако у вирусов есть способы заставить клетки впустить их внутрь. Обычно часть оболочки вируса будет иметь сильное сродство к связыванию с тем или иным белком, покрывающим поверхности того или иного типа клеток. Связывание вируса с этим белком клеточной поверхности служит пропускным билетом, облегчая проникновение вируса в клетку.

Вирусный геном, как и наш, представляет собой набор инструкций по производству белков, необходимых организму. Этот геном может состоять либо из ДНК, как в случае со всеми существами, за исключением определенных вирусов, либо из близкой химической РНК ДНК, которая намного более гибкая и несколько менее стабильная. Геном SARS-CoV-2 состоит из РНК, как и геномы большинства вирусов, заражающих млекопитающих.

Помимо гена, кодирующего его капсидный белок, каждому вирусу нужен еще один ген для его собственной версии фермента, известного как полимераза. Внутри клетки вирусные полимеразы генерируют многочисленные копии генов захватчика, по инструкциям которых послушная молекулярная сборочная линия клетки производит капсидные субъединицы и другие вирусные белки. Среди них могут быть белки, способные кооптировать клеточный аппарат, чтобы помочь вирусам размножаться и ускользать, или изменять собственный геном вируса — или наш. В зависимости от типа вируса геном может содержать всего два гена — один для белка, из которого построен капсид, другой — для полимеразы, или целых сотни.

Капсиды самостоятельно собираются из своих субъединиц, часто с помощью белков, изначально созданных клеткой для других целей, но кооптированных вирусом. Свежие копии вирусного генома упаковываются во вновь изготовленные капсиды для экспорта.

Часто обильные потомки вируса наказывают доброе дело клетки, которая их произвела, лизируя ее — пробивая отверстия в ее внешней мембране, вырываясь из нее и разрушая клетку в процессе. Но оболочечные вирусы могут ускользнуть с помощью альтернативного процесса, называемого почкованием, при котором они обертываются частью мембраны инфицированной клетки и диффундируют через внешнюю мембрану клетки, не повреждая ее структурно. Даже в этом случае клетка, породившая бесчисленное количество детских вирусов, часто остается смертельно ослабленной.

Представляем коронавирус и как он распространяется

Теперь мы знаем, как ваш средний вирус — по сути инертная частица сам по себе — умудряется проникать в клетки, захватывать их молекулярные механизмы, делать копии самого себя и двигаться дальше, чтобы снова заразить.

Это только верхушка. Из миллионов различных вирусных видов, идентифицированных на данный момент, только около 5000 были описаны подробно. Вирусы бывают разных форм и размеров — хотя все они маленькие — и заражают все, включая растения и бактерии. Ни один из них не работает одинаково.

Так что насчет коронавирусов?

Оболочечные вирусы, как правило, менее устойчивы, когда они находятся вне клеток, потому что их оболочки уязвимы для разрушения под воздействием тепла, влажности и ультрафиолетового излучения солнечного света.

Это должно быть хорошей новостью для нас, когда дело касается коронавирусов. Однако плохая новость заключается в том, что коронавирус может быть довольно стабильным вне клеток, потому что его шипы, выступающие, как иглы из подушечки для булавок, защищают его от прямого контакта, позволяя выживать на поверхностях в течение относительно длительных периодов времени. (Тем не менее, мыло или дезинфицирующие средства для рук на спиртовой основе отлично справляются с этим.)

Как упоминалось ранее, вирусы используют белки, находящиеся на поверхности клеток, в качестве стыковочных станций. Белки-аналоги коронавирусов — те же самые шипы. Но не все всплески коронавируса одинаковы. Относительно доброкачественные варианты коронавируса, которые в худшем случае могут вызывать першение в горле и насморк, прикрепляются к клеткам верхних дыхательных путей — носовых полостях и глотке. Вирусный вариант, который является движущей силой сегодняшней пандемии, опасен, поскольку его белки-шипы могут закрепляться за клетками нижних дыхательных путей — легкими и бронхиальными клетками, а также клетками легких, сердца, почек, печени, мозга, слизистой оболочки кишечника, желудка или других органов. кровеносные сосуды.

Лечение антителами может блокировать связывание

В успешном ответе на инфекцию SARS-CoV-2 иммунная система вырабатывает попурри из специализированных белков, называемых антителами, которые прикрепляются к вирусу в различных местах, иногда блокируя его прикрепление к белку клеточной поверхности, который он пытается зацепить. на. Стэнфорд участвует в клинических испытаниях, спонсируемых Национальными институтами здравоохранения, с целью выяснить, может ли богатая антителами плазма (бесклеточная часть крови) выздоровевших пациентов с COVID-19 (которым больше не нужны эти антитела) смягчить симптомы у пациентам с легкой формой болезни и предотвращению ее прогрессирования от легкой до тяжелой.

Так называемые моноклональные антитела к антителам в плазме выздоравливающих — это то же самое, что лазер к лампочке накаливания. Биотехнологи узнали, как идентифицировать варианты антител, которые лучше всего цепляются за определенные места на шипованном белке SARS-CoV-2, тем самым препятствуя связыванию вируса с нашими клетками, — и они могут производить только эти варианты в большом количестве. Стэнфорд запускает Фазу 2 клинических испытаний моноклональных антител для лечения пациентов с COVID-19.

Беспокойство: частота вирусных мутаций намного выше, чем частота бактериальных мутаций, что намного меньше, чем у наших сперматозоидов и яйцеклеток. РНК-вирусы, включая коронавирус, мутируют даже легче, чем ДНК-вирусы: их полимеразы (те ферменты, которые копируют геном, упомянутые ранее) обычно менее точны, чем у ДНК-вирусов, а сама РНК по своей природе менее стабильна, чем ДНК. Таким образом, вирусы, и особенно РНК-вирусы, легко развивают устойчивость к попыткам нашей иммунной системы найти и предотвратить их.

Стэнфордские исследования могут помочь определить, какой метод точного наведения — «лазер» или «лампочка» в кухонной раковине работает лучше всего.

Вирус проникает в ячейку

Доцент кафедры химической инженерии и специалист по спелеологии субклеточного отсека Монтер Абу-Ремайле, доктор философии, описал два ключевых способа, которыми коронавирус проникает в клетку и ищет там утешения, и как можно было бы запретить один из этих проникновений. маршруты с правильным видом наркотиков.

Вот один способ: как только коронавирус прикрепляется к клетке, его жирная оболочка вступает в контакт с такой же жирной внешней мембраной клетки. Смазка любит жир. Оболочка вируса и клеточная мембрана сливаются, и вирусное содержимое попадает в клетку.

Другой способ более сложный. Прикрепление вируса может инициировать процесс, при котором область на внешней мембране клетки, ближайшая к месту контакта, прогибается — с вирусом (к счастью), заключенным внутри — до тех пор, пока он полностью не защемится, образуя входящую мембрану. -покрытая жидкоцентрированная капсула, называемая эндосомой внутри клетки. (Чтобы визуализировать это, представьте себя с комком жевательной резинки во рту, надувающим внутренний пузырь, вдыхая, а затем глотая его. В этой аналогии вы — клетка, а вся ваша кожа, начиная с ваших губ, составляет внешняя мембрана клетки.)

В этой эндосоме заключена вирусная частица, которая приводит в движение процесс. Маленький дьявол только что подцепил себе поездку во внутреннее святилище камеры. На данный момент вирусная частица состоит из оболочки, капсида и заключенного в него генома — схемы более двух десятков белков, которые необходимы вирусу, а пораженная клетка не обеспечивает.

Но эндосома не остается эндосомой на неопределенный срок, — сказал мне Абу-Ремайле. Его миссия — стать другим объектом, называемым лизосомой, или слиться с существующей лизосомой.

Лизосомы служат фабриками по переработке клеток, расщепляя крупные биомолекулы на составляющие их строительные блоки для повторного использования. Для этого им нужна кислая среда, создаваемая белковыми насосами на их поверхностных мембранах, которые заставляют протоны проникать в эти везикулы.

Повышенная внутренняя кислотность активирует ферменты, которые пережевывают белки шипа изолированного коронавируса. Это приводит оболочку вируса к контакту с мембраной везикул и обеспечивает их слияние.

Вирусный геном распространяется на большие пространства клетки. Там вирусный геном найдет и завладеет сырьем и молекулярным оборудованием, необходимым для выполнения его генетических инструкций. Этот механизм будет яростно вырабатывать вирусные белки, включая индивидуализированную полимеразу SARS-CoV-2, необходимую для репликации собственного генома. Копии генома и капсидные белки вируса будут собраны вместе и переупакованы в вирусное потомство.

Пара близкородственных препаратов, хлорохин и гидроксихлорохин, вызвала множество публикаций в прессе, но пока результаты клинических испытаний по лечению COVID-19 в основном неутешительные. Некоторые исследователи рекомендуют использовать гидроксихлорохин, но с оговоркой, что его следует применять на ранней стадии заболевания.

В лабораторной посуде эти лекарства диффундируют в клетки, где они снижают кислотность в эндосомах и предотвращают ее накопление в лизосомах. Без этой необходимой кислотности белки-шипы вирусной мембраны не могут быть пережеваны, а вирусная оболочка не может вступить в контакт с мембраной эндосомы или лизосомы. Вирус остается запертым в тюрьме собственного устройства.

Во всяком случае, именно это происходит с блюдом. Но насколько это важно, покажут только дальнейшие клинические испытания.

Как коронавирус воспроизводится

SARS-CoV-2 проник в клетку либо путем слияния, либо въезжая внутрь, как лилипутский акванавт, незаметно укрывшись внутри эндосомы. Если все идет хорошо, вирус сливается с мембраной окружающей эндосомы. Вирусный геном выливается в (относительно) обширный окружающий клеточный океан.

Эта одинокая единственная цепочка РНК, которая является геномом вируса, должна выполнить большую работу — фактически, две, как сказала мне Джудит Фридман, доктор философии, профессор биологии и генетики, — чтобы заставить себя стать родителями. стая потомства. Он должен воспроизводиться целиком и в большом количестве, причем каждая копия является потенциальным зародышем новой вирусной частицы. И он должен генерировать несколько частичных копий самого себя — обрезанные участки, которые служат инструкциями, сообщая машинам клетки, производящим белок, называемым рибосомами, как производить более двух десятков белков вируса.

Для того, чтобы делать то и другое, вирусу нужна особая полимераза — белок, который будет работать как копировальная машина для вирусного генома. Каждая живая клетка, в том числе и наша, использует полимеразы для копирования своего ДНК-генома и транскрибирования его содержимого (генов) в инструкции на основе РНК, которые могут прочитать рибосомы.

Геном SARS-CoV-2, в отличие от нашего, состоит из РНК, поэтому он уже подходит для рибосом, но репликация самого себя означает создание РНК-копий РНК. Наши клетки никогда не нуждаются в этом, и им не хватает полимераз, которые могли бы это делать.

Однако в геноме SARS-CoV-2 есть ген, кодирующий РНК-РНК-полимеразу. Если эта одиночная цепь РНК может найти и вставить себя в рибосому, последняя может преобразовать генетический план вирусной полимеразы в рабочий белок. К счастью для вируса, в одной клетке может быть до 10 миллионов рибосом.

Созданная вирусная полимераза генерирует не только несколько копий полноразмерного вирусного генома — репликацию, но и отдельные вирусные гены или их группы. Эти фрагменты могут карабкаться на рибосомы и заставлять их производить полный репертуар всех белков, необходимых для создания многочисленных новых вирусных потомков.

Эти недавно созданные белки включают, в частности, больше молекул полимеразы. Каждую копию генома SARS-CoV-2 можно многократно кормить через продуктивные молекулы полимеразы, создавая бесчисленное множество точных копий исходной цепи.

Ну, в основном верные. Все мы совершаем ошибки, и вирусная полимераза не исключение; на самом деле, это довольно небрежно, поскольку полимеразы идут — гораздо больше, чем полимеразы наших собственных клеток, сказали мне Каретт и Фридман. Таким образом, копии исходной цепи — и их копии — рискуют столкнуться с ошибками копирования, иначе говоря, мутациями.

Однако полимеразы коронавируса, в том числе SARS-CoV-2, уникальным образом снабжены дополнительным «белком корректора», который устраняет большинство этих ошибок. Он вырезает неправильно вставленный химический компонент и дает полимеразе еще один, обычно успешный, удар по вставке правильной химической единицы в растущую последовательность РНК.

Противозачаточные средства от коронавируса

Экспериментальный препарат ремдесивир, одобренный для экстренного применения среди госпитализированных пациентов с COVID-19, напрямую воздействует на полимеразы РНК-вирусов. Стэнфорд участвовал в клинических испытаниях, которые привели к одобрению этого инъекционного препарата. Первоначально разработанный для лечения инфекции, вызванной вирусом Эбола, он принадлежит к классу препаратов, которые действуют, выдавая себя за законные химические строительные блоки последовательности ДНК или РНК. Эти позеры вшиваются в зарождающуюся прядь и так склеивают вещи, что полимераза останавливается или производит дефектный продукт.

«Теперь, с лекарством, вирус начинает создавать множество гнилых геномов, которые отравляют процесс репликации вируса», — сказал Фридман, председатель Дональда Кеннеди в Школе гуманитарных и естественных наук.

Ремдесивир обладает тем достоинством, что не портит собственные полимеразы наших клеток, — сказал Роберт Шафер, доктор медицинских наук, профессор инфекционных заболеваний, который ведет постоянно обновляемую базу данных результатов испытаний лекарств против SARS-CoV-2.

Но, хотя ремдесивир довольно хорошо подделывает белок-компаньон-корректор вирусной полимеразы, он далек от совершенства, сказал Шафер. Некоторым интактным копиям вирусного генома все еще удается создать, ускользнуть из клетки и заразить другие клетки — миссия выполнена.

Использование ремдесивира в сочетании с каким-то еще востребованным, но еще не обнаруженным лекарством, которое может блокировать работу корректора, может быть более надежной стратегией, чем использование одного ремдесивира, сказал Шафер.

Финальный раунд на сотовом боксерском ринге

Помимо репликации своего полноразмерного генома, вирус должен производить много белков. И он знает как. Эти фрагменты РНК, созданные вирусной полимеразой, приспособлены для игры по правилам клеточного производства белка — ну, до определенного момента. Они вписываются в рибосомы точно так же, как и собственные нити «информационной РНК» клетки, скопированные с генов клетки ее собственными считывающими ДНК полимеразами. Так называемые мРНК — это инструкции по созданию белков.

Но есть загвоздка: среди белков, которые вирус заставляет вырабатывать рибосомы, есть такие, которые после образования кусают руку, которая их кормила. Некоторые новоиспеченные вирусные белки домой рибосом в акте чтения одного или другого из нитей мРНК в клеточных, зацепить себя на пряди и наклеить упорно, сваливание рибосомы до мРНК клетки прядь разваливается.

Геномные нити РНК, которые генерирует вирус, все же имеют небольшие блокады на передних концах, которые защищают их от зацепления за рибосомы клетки командой по уничтожению вирусов. Результат: конвейерная линия по производству белка в клетке полностью переключена на производство вирусных белков. Это два фактора: он увеличивает производство вирусных компонентов и подавляет естественную первую линию защиты инфицированной клетки.

Интерфероны как потенциальное лечение

Среди мертворожденных белков клетки есть молекулы, называемые интерферонами, которые клетка обычно производит, когда чувствует, что заражена вирусом. У интерферонов есть способы обезопасить себя от вирусной полимеразы и подавить репликацию вируса. Кроме того, когда интерфероны секретируются инфицированными клетками, они действуют как сигналы бедствия «призыва в войска», которые предупреждают иммунную систему организма о присутствии и местонахождении инфицированной клетки.

Вместо этого тишина. Преимущество: вирус.

Есть несколько разных видов интерферонов. В Стэнфорде проводится клиническое испытание, чтобы определить, может ли однократная инъекция одного из них, называемого интерферон-лямбда, вывести из больницы только что диагностированных пациентов с легкими симптомами COVID-19, ускорить выздоровление и снизить передачу инфекции членам семьи и сообщество.

Еще кое-что о вирусах

Если вы к настоящему времени не ненавидите и не уважаете вирусы, возможно, вы не обращали внимания. Но это еще не все.

Вирусы не всегда убивают клетки, взятые в заложники. Некоторые вшивают свои гены в геном клеток, в которые они вторглись, и эти вставки складываются. Последовательности вирусной ДНК составляют полностью 8% нашего генома — в отличие от всего лишь 1%, который кодирует белки, из которых мы в значительной степени сделаны и которые делают большую часть этого.

«В наш геном» вторглись «предыдущие встречи с ретровирусами после заражения сперматозоидов или яйцеклеток», — сказала мне Каретт. «В результате эволюции гены этих ретровирусов стали неактивными».

Но, как всегда, есть исключение. Как сказал мне Каретт: «Древний вирусный ген был перепрофилирован, чтобы играть важную роль в эмбриогенезе», процессе, посредством которого формируется и развивается эмбрион. Белок, кодируемый этим геном, обеспечивает слияние двух типов клеток в плаценте развивающегося плода, обеспечивая обмен питательными веществами и отходами между развивающимся эмбрионом и кровоснабжением матери.

Без них, то есть нас не было бы ./p>

Spread the love

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *