Ученые из Scripps Research и Лос-Аламосской национальной лаборатории разработали метод определения детального расположения молекул полисахаридов, которые помогают ВИЧ защищаться от иммунной системы. Данные этой работы опубликованы в журнале PNAS.
Молекулы гликанов — вязкие и рыхлые, поэтому располагаясь на шиповидных белках с самой наружи различных вирусов, включая ВИЧ и SARS-CoV-2, они могут действовать как экраны, мешая антителам взаимодействовать с вирусными белками. Кроме этого, эти полисахаридные шипы часто способствуют автоматическому прикреплению патогенов к клеткам.
Волнообразная гибкость, которая делает эти молекулы устойчивыми к антителам, серьезно затрудняет их захват с помощью традиционных методов визуализации в атомном масштабе. В новом исследовании ученые разработали методы, которые впервые позволяют детально картировать эти неуловимые молекулы на поверхности шипового белка ВИЧ, известного как Env.
Исследователи объединили метод визуализации в атомном масштабе, называемый криоэлектронной микроскопией (крио-ЭМ), со сложным компьютерным моделированием и техникой идентификации молекул, называемой масс-спектрометрией. Крио-ЭМ полагается на усреднение десятков или сотен тысяч отдельных снимков для создания четкого изображения, поэтому очень гибкие молекулы, такие как гликаны, будут отображаться размытыми, если они вообще будут получены. Но объединив крио-ЭМ с другими технологиями, исследователи смогли восстановить этот потерянный гликановый сигнал и использовать его для картирования уязвимых мест на поверхности Env.
«Теперь у нас есть способ захватить полные структуры этих постоянно меняющихся гликановых щитов, которые в значительной степени определяют, где антитела могут и не могут связываться, в частности, с таким вирусом, как ВИЧ», — говорит ведущий автор исследования Захари Берндсен, доктор философии, научный сотрудник лаборатории структурной биологии профессора Скриппса Эндрю Уорда.
«Это первый раз, когда крио-ЭМ была использована вместе с компьютерным моделированием для описания структуры вирусного щита в атомных деталях», — говорит один из соавторов исследования Шрирупа Чакраборти, доктор философии и научный сотрудник лаборатории Гнанакарана в Лос-Аламосе.
Новый комбинированный подход выявил структуру и динамическую природу гликанов с максимальной детализацией и помог команде лучше понять, как эта сложная динамика влияет на особенности, наблюдаемые на крио-ЭМ-картах. Из этого обилия информации команда исследователей определила, что отдельные гликаны не просто беспорядочно перемещаются по поверхности шипованного белка, как ранее считалось, а вместо этого собираются вместе в пучки и заросли.
«Есть куски гликанов, которые, кажется, движутся и взаимодействуют друг с другом», — говорит Берндсен. «Между этими гликановыми микродоменами антитела, по-видимому, имеют возможность связываться».
Экспериментальные вакцины против ВИЧ часто основаны на модифицированных, лабораторных белках Env для индукции ответа антител. Их эффективность частично зависит от расположения и степени защитных гликанов на этих вирусных белках, полученных в лаборатории. Поэтому Берндсен и его коллеги применили свой метод для картирования гликанов на модифицированном белке Env ВИЧ, BG505 SOSIP.664, который используется в одной из вакцин, которая в настоящее время проходит клинические испытания.
«Мы обнаружили пятна на поверхности этого белка, которые не были покрыты гликанами. Это может объяснить, почему при испытании вакцины были отмечены реакции антител на этот участок», — говорит Берндсен.
Этот вывод и другие результаты исследования показали, что гликановый щит Env может варьироваться в зависимости от того, какой тип клетки используется для его производства. При заражении людей ВИЧ вирус использует человеческие иммунные клетки в качестве фабрик для репликации своих белков. Но вирусные белки, используемые для изготовления вакцин, обычно производятся в других типах клеток млекопитающих.
Также команда выяснила, что когда они использовали ферменты для медленного удаления гликанов из Env ВИЧ, весь белок начал распадаться. Берндсен и его коллеги подозревают, что гликановый щит Env, который считался просто защитой от антител, также может играть роль в управлении формой и стабильностью Env, поддерживая его готовность к инфицированию.
Исследователи считают, что созданные ими новые методы картирования гликанов будут особенно полезны при проектировании и разработке вакцин -— и не только против ВИЧ. Кроме этого, их методики также могут использоваться в борьбе с определенными видами рака, в которых гликаны также играют ключевую роль.