Защита от вирусов является одной из самых острых проблем в медицине. Изобретение вакцин было большим шагом вперед, но они все еще могут отбивать лишь часть известных вирусных атак. Они работают, «обучая» нашу иммунную систему распознавать определенный вирус, чтобы она могла выработать эффективный иммунный ответ, если в будущем обнаружит такого же «захватчика».
Проблема обоих подходов заключается в огромном разнообразии вирусных патогенов. Например, вирусная группа, ответственная по меньшей мере за половину всех случаев простуды — риновирусы — имеет как минимум 160 различных подтипов. Разработка более 100 вакцин для лечения одной болезни, очевидно, нецелесообразна, а тех что есть, разумеется, недостаточно, поэтому простуда продолжает процветать.
Ситуация осложняется тем, что многие вирусы могут мутировать таким образом, что они становятся устойчивыми к лекарствам или способными противостоять приобретенному иммунитету. Именно поэтому важной целью в вирусологии является разработка противовирусных препаратов широкого спектра действия, эффективных одновременно против многих вирусов.
В исследовании, опубликованном в понедельник в Nature Microbiology, микробиолог Ян Каретт из Стэнфордского университета и его коллеги сообщают, что они нашли человеческий ген, который производит белок, необходимый для функционирования многочисленных энтеровирусов, включающих в себя и риновирусы. Эксперименты на клетках человека и мышах показали, что ряд энтеровирусов не может размножаться без этого белка.
Этот красивый шарик — риновирус.
Эта работа может проложить путь к созданию противовирусных препаратов, эффективных против многих заболеваний, включая большинство случаев простуды, и пролить свет на то, как вирусы используют клеточный материал своего носителя. Каретт и его коллеги «совершили подвиг, чтобы найти этот ген и охарактеризовать его», — говорит Энн Палменберг, вирусолог из Университета Висконсин-Мэдисон, которая предоставила некоторые советы и материалы для исследования, но не принимала непосредственного участия в нем. «Это прекрасная работа».
Энтеровирусы также включают полиовирус, вирус Коксаки (который вызывает миокардит или воспаление сердца) и EV-D68 — вирус, связанный с острым вялым миелитом. Для поиска общих черт между этими вирусами исследователи использовали передовую технологию редактирования генов, чтобы инактивировать (частично или полностью отключить — прим. перев.) отдельные гены в клетках человека, выращенных в лабораторной среде.
Сначала они создали банк клеток, в каждой из которых отсутствовал отдельный ген, охватывающий в сумме весь геном человека. Затем они инфицировали эти клетки двумя энтеровирусами: EV-D68 и риновирусом типа C, называемым RV-C15. Последний является относительно недавно обнаруженным типом риновируса, который может серьезно усугубить симптомы астмы и увеличить риск развития у инфицированных детей астмы и хронической обструктивной болезни легких. Хотя они оба являются энтеровирусами, EV-D68 и RV-C15 — достаточно далекие родственники, которые в основном используют различные белки клетки-хозяина.
После этого команда изучила, какие гены отсутствовали в клетках, которые продолжали процветать после заражения, сосредоточив внимание на тех немногих, в которых отсутствие генов помешало обоим вирусам. В дополнение к двум генам, производящим белки, которые, как уже было известно, необходимы энтеровирусам, выделился еще один малоизвестный: SETD3, который создает белок с тем же названием.
Ген SETD3 в геноме человека находится в 14 хромосоме в локусе 14q32.2 (выделены красным).
Затем Каретт и его коллеги исследовали, насколько широко энтеровирусы в целом зависят от белка SETD3. Они создали клетки, лишенные SETD3, и заразили их семью вирусами, представляющими собой различные виды человеческих энтеровирусов: всеми тремя типами риновирусов (A, B и C), полиовирусом, двумя типами вируса Коксаки и EV-D68. Ни один из них не мог процветать в клетках с дефицитом SETD3 — скорость их скорость размножения была снижена в 1000 раз по сравнению с контрольными клетками, которые обладали этим геном.
«Мы едва могли обнаружить какой-либо вирус, размножающийся в нокаутированных клетках», — говорит Каретт, имея в виду клетки, сконструированные так, чтобы не иметь этого гена. Полученные данные свидетельствуют о том, что использование SETD3 может привести к получению широко эффективного терапевтического средства. «Мы действительно пытались максимизировать разнообразие энтеровирусов, которые мы проверяли, и [SETD3] был важен для всех них; это было поразительно», — говорит Каретт. «Я был бы удивлен, если есть энтеровирусы, которым не нужен этот белок в клетках носителя».
Этот эксперимент был проведен на широко используемых в опытах специальных раковых клетках, но команда повторила некоторые тесты на типе клеток, которые находятся у входа в легкие, и получила столь же впечатляющие результаты. «Для респираторных вирусов, таких как риновирус и EV-D68, основной средой являются эпителиальные клетки бронхов, потому что именно там фактически вирус и размножается», — говорит Каретт.
Наконец, Каретт и его команда генетически модифицировали мышей, лишив их гена SETD3. «К нашему большому удивлению, если вы делаете мышей, которым не хватает белка SETD3, то они оказываются вполне жизнеспособными и, по-видимому, здоровыми», — говорит он. Увы, но фатальный недостаток они все же нашли: такие мыши с трудом рожали.
В недавнем исследовании биолог Ор Гозани, также работавший в Стэнфорде и являющийся соавтором нового исследования, вместе с коллегами обнаружил, что в процессе, называемом метилированием, белок SETD3 модифицирует актин — белок, важный для деления клеток, а также для сокращения мышц. «Кажется, метилирование актина важно для сокращения гладких мышц во время родов», — говорит Каретт. Он и его коллеги инъецировали этим мышам два энтеровируса — вирус Коксаки и EV-A71, оба из которых вызывают смертельное для них неврологическое заболевание, включающее паралич и воспаление головного мозга. Мыши без гена SETD3 оказались невосприимчивыми к обоим вирусам.
Затем исследователи попытались определить, зачем вирусам нужен белок SETD3. Они на время «забыли» про его обычную роль (изменение актина), надеясь на то, что в будущем его можно будет модифицировать так, чтобы не мешать этой функции. Кроме того, они сузили спектр наблюдений до размножения. Вирусы используют комбинацию своих собственных компонентов и частей, которые они добывают из клетки, чтобы создать «комплекс репликации», который действует как копировальный аппарат. «Вирус в клетку проникает, но сам не может начать копироваться», — говорит Каретт. «SETD3 является неотъемлемой частью этого копировального устройства».
Вот так структурно выглядит белок SETD3.
Есть две возможности: либо вирусы используют SETD3 уникальным способом, либо они используют пока неизвестную функцию SETD3. Последняя возможность означает, что лекарства, нацеленные на SETD3, могут иметь непредвиденные побочные эффекты. «Нам предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы узнаем, сможем ли мы разработать противовирусный препарат, нацеленный на использование этого белка; это многолетняя работа», — говорит микробиолог Винсент Раканиелло из Колумбийского университета, который не участвовал в новом исследовании. «То, что он работает на мышах, вообще говоря, не означает, что с людьми будет все хорошо».
Пока что единственный способ точно определить, является ли препарат, нацеленный на использование SETD3, вредным для людей — это проверить его в небольшом испытании на людях. «И если это так, то пока что это конец истории», — говорит Раканелио. «Это действительно умеряет мой энтузиазм».
По словам Палменберга, знание того, для чего вирусы используют SETD3, в значительной степени определит способы, ведущие к созданию эффективной терапии. Оно ответит на такие важные вопросы, как, например, какую часть SETD3 необходимо заблокировать, чтобы остановить репликацию вирусов, и применимо ли это к большинству энтеровирусов одновременно. Эта информация будет определять, как будет выглядеть лекарство, как оно будет доставляться и будет ли оно вообще возможным. «Мы всего этого пока просто не понимаем, так как еще не знаем, почему [вирус] связывается с этим белком в первую очередь», — говорит Палменберг.
В дополнение к решению таких вопросов, команда Каретта планирует искать химические вещества, которые либо останавливают взаимодействие энтеровирусов с SETD3, либо разлагают этот белок. «У нас есть цель, но еще нет лекарства», — говорит он. «Сейчас мы сосредоточены на нем». В конечном итоге он и его коллеги надеются обойти проблему вирусов, вырабатывающих устойчивость к вакцинам.
Традиционные противовирусные средства нацелены на вирусные белки, что позволяет вирусам сравнительно легко мутировать. «Мы же делаем это немного более осмотрительно, нацеливаясь на белки носителя, поэтому вирусу будет куда труднее обойти действие лекарства», — говорит Каретт. Этот подход известен как направленная на хозяина терапия, потому что лечение изменяет что-то в клетках носителя, что мешает вирусу нормально функционировать. «У этой терапии есть широкий потенциал и меньше шансов на развитие устойчивости к противовирусным препаратам», — говорит Каретт. «Есть настоящий энтузиазм в отношении такого подхода».