Jednostavno rečeno
Istraživači su otkrili kako se virus Andes veže za ljudsku ćeliju da bi započeo zarazu. Na njegovoj površini nalazi se duboko udubljenje u koje može ući ljudski receptor, dok velika antitijela teže dopiru do njega. Ovo otkriće moglo bi pomoći u osmišljavanju sitnih molekula koje bi blokirale udubljenje i spriječile virus da se zakači za ćeliju.
Zaraza počinje kontaktom s glodarima, a može se širiti i među ljudima
Hantavirusi su grupa virusa koje zaraženi glodari mogu prenijeti na ljude, a infekcija može izazvati ozbiljnu bolest. Jedan od najtežih oblika bolesti jeste plućni sindrom, koji može brzo napredovati do respiratornog zatajenja. Virus Andes razlikuje se od drugih hantavirusa za koje se zna da izazivaju bolest kod ljudi po još jednoj osobini: može se prenositi i s osobe na osobu, za razliku od drugih poznatih virusa iz ove grupe koji izazivaju bolest kod ljudi.
To ne znači da će svaki kontakt dovesti do infekcije, ali upravo zbog ove osobine posebno je važno razumjeti kako virus započinje napad na ćeliju. Ako istraživači utvrde kako se virus veže za receptor na površini ćelije, moći će preciznije odrediti njegove slabe tačke i istražiti načine da zaustave prvi korak infekcije. Nova studija ne donosi gotov lijek, ali objašnjava građu na koju se virus oslanja pri vezivanju i otvara prostor za ciljano istraživanje načina na koje bi se ta veza mogla prekinuti.
Receptor ne prepoznaje samo jedan dio proteina
Ranija istraživanja pokazala su da virus Andes, kao i neki drugi hantavirusi iz Novog svijeta, koristi ljudski protein na površini ćelija koji se zove protocadherin-1, odnosno PCDH1. Međutim, samo poznavanje imena receptora nije bilo dovoljno da se objasni način vezivanja. Ostalo je ključno pitanje: kako virusni protein prepoznaje taj receptor i gdje se tačno dodiruju?
Prethodni eksperimenti naišli su na važnu prepreku: jedna jedinica šiljastog virusnog proteina nije se mogla vezati za PCDH1. Veza se uspostavila tek kada su se četiri jedinice šiljka spojile u jednu strukturu. To ukazuje na to da mjesto prepoznavanja nije unaprijed oblikovano područje na površini samo jedne jedinice, već nastaje zajedničkim rasporedom više dijelova. Zato je bilo potrebno proučiti sklopljenu strukturu, umjesto da se njeni sastavni dijelovi posmatraju samo odvojeno.
Šiljasti protein je struktura na površini virusa koja mu omogućava da stupi u kontakt sa ćelijom. U ovom slučaju šiljak čine četiri kopije glikoproteina koji se zove Gn. Istraživački tim želio je stabilizirati tu strukturu izvan virusa kako bi je mogao analizirati i uporediti s ljudskim receptorom. Zato su napravili rastvorljivu verziju šiljka virusa Andes i ugradili u nju oslonac koji je pomogao da četiri jedinice ostanu u stabilnom rasporedu, pogodnom za proučavanje vezivanja.
Trodimenzionalni prikaz otkriva središnji džep
Istraživači su kombinovali krioelektronsku mikroskopiju s funkcionalnim eksperimentima. Ova metoda omogućava snimanje biomolekula u zamrznutom stanju, čime se čuvaju njihovi strukturni detalji, a zatim se na osnovu snimaka može izraditi precizan prikaz njihovog oblika. Tim je pomiješao napravljeni šiljak s proteinom PCDH1, a zatim analizirao nastali sklop. U istraživanju su učestvovali naučnici iz Albert Einstein College of Medicine u New Yorku, Institut Pasteur u Parizu i Louisiana State University Health Sciences Center u Shreveportu. Rezultati su objavljeni u časopisu Nature.
Strukturna analiza pokazala je da se PCDH1 veže unutar dubokog udubljenja u središtu šiljka, koje nastaje zajedničkim rasporedom četiri kopije Gn. Veza pritom nije simetrična: receptor nije postavljen na potpuno isti način u odnosu na svaki dio strukture. Dakle, mjesto vezivanja oblikuje cijeli šiljak, a četiri jedinice djeluju poput susjednih zidova koji stvaraju središnji džep u koji se receptor može uvući.
Ovaj strukturni detalj važan je i za razumijevanje molekula. Da se mjesto vezivanja nalazilo na jednoj zasebnoj jedinici, možda bi ga bilo lakše razumjeti i mijenjati. Međutim, rezultati pokazuju da virus spaja dijelove svoje površine tako da mjesto vezivanja nastaje tek u strukturi sastavljenoj od četiri jedinice. To objašnjava zašto pojedinačni protein nije bio dovoljan da se uoči veza između njih i pokazuje da je raspored sastavnih dijelova šiljka ključan za prepoznavanje ćelije.
Tri petlje pomažu da nastane mjesto vezivanja
Da bi utvrdili koji dijelovi učestvuju u oblikovanju džepa, istraživači su mijenjali određena mjesta u proteinu Gn, a zatim pratili kako te promjene utiču na vezivanje. Eksperimenti s mutacijama pokazali su da tri petlje učestvuju u oblikovanju mjesta na koje se veže PCDH1. Ovaj nalaz podržava zaključak da mjesto prepoznavanja nije osobina jedne samostalne jedinice, već zavisi od strukturnih detalja koji zajednički djeluju unutar virusnog sklopa.
Tim je proveo i dodatni test kako bi provjerio koliko su ove osobine važne: promjene povezane s tri petlje unio je u glikoproteine hantavirusa iz Starog svijeta. Prema studiji, te izmjene omogućile su da se sposobnost vezivanja za PCDH1 prenese s proteina virusa iz Novog svijeta na te proteine. Ovim je pokazano da raspored određenih dijelova proteina Gn može odrediti sposobnost proteina da prepozna receptor, a ne samo zapaženo kako struktura izgleda pod mikroskopom.
To ne znači da se sve razlike među virusima mogu svesti na ove petlje niti da njihove promjene same po sebi objašnjavaju sve razlike među virusima. Eksperimenti konkretnije pokazuju da ove tri strukture učestvuju u stvaranju mjesta vezivanja i da su njihove izmjene bile dovoljne da se u provedenom testu prenese sposobnost prepoznavanja PCDH1. Tako je studija povezala posmatranje strukture s provjerom njenog djelovanja, umjesto da se zaustavi na opisu mogućeg oblika kontakta.
Antitijela se s džepom bore na dva načina
Istraživači su ispitali četiri neutralizirajuća antitijela, odnosno antitijela koja mogu ometati virus. Strukturne i funkcionalne analize pokazale su da ona sprečavaju vezivanje šiljka za receptor na dva različita načina. Jedan način je da antitijela zaklanjaju put do mjesta vezivanja PCDH1. Drugi je da stvaraju fizičku prepreku zbog koje receptor ne može prići šiljku niti se za njega vezati.
Duboki džep, međutim, stvara zanimljiv paradoks: omogućava receptoru da stigne do unutrašnjeg mjesta, a istovremeno otežava antitijelima da uđu u isti prostor. Protein PCDH1 je dug i uzak, pa svojim oblikom može dosegnuti dubinu udubljenja. Većina antitijela je, nasuprot tome, veća i zato možda ne može prodrijeti jednako duboko. Virus, dakle, ne skriva mjesto vezivanja tako što ga uklanja s površine, nego ga smješta u udubljenje do kojeg neke molekule teško dopiru.
Rohit Jangra, docent mikrobiologije i imunologije u Louisiana State University Health Sciences Center u Shreveportu, objasnio je da dubina džepa pomaže da se razumije zašto antitijela teško dopiru do njega. Jednostavno rečeno, uski receptor može se uvući u unutrašnjost i ostvariti kontakt, dok veće antitijelo može zapeti za rub udubljenja ili ne uspjeti zauzeti položaj potreban da stigne do mjesta vezivanja. To ipak ne znači da sva antitijela ostaju nemoćna: rezultati su pokazali da su sva četiri ispitana neutralizirajuća antitijela uspjela prekinuti vezivanje, bilo zaklanjanjem mjesta bilo stvaranjem prepreke.
Od oblika džepa do moguće terapije
Otkrivena struktura upućuje na jedan pravac za istraživanje antivirusnih sredstava: dizajniranje uskih, izduženih molekula koje bi mogle dospjeti duboko u udubljenje i nadmetati se s virusom za vezivanje ili zatvoriti mjesto potrebno receptoru. To nisu lijekovi čija je djelotvornost potvrđena ovom studijom, već ideja zasnovana na osobinama mjesta koje su istraživači otkrili. Saznanje da je džep dubok i da mu receptor može pristupiti zahvaljujući svom obliku daje istraživačima jasniju predstavu o tome kakva bi terapijska molekula morala biti da bi stigla do istog mjesta.
Vrijednost ovog pristupa leži u povezivanju oblika biološke mete s oblikom molekule koja bi je mogla blokirati. Molekula koja ne može ući u udubljenje možda neće biti pogodna za djelovanje na njegov dublji dio, čak i ako se može vezati za druga područja šiljka. Nasuprot tome, izdužena i uska molekula mogla bi se ispitati kako bi se utvrdilo može li dosegnuti mjesto vezivanja i prekinuti vezu između Gn i PCDH1. Istraživački tim namjerava proučiti ovu strukturnu slabost kao osnovu za razvoj strategija protiv virusa Andes, a možda i protiv srodnih virusa, među kojima je virus Sin Nombre.
Ovo je tek početak istraživačkog puta, a ne njegov kraj. Studija donosi okvir za razumijevanje načina na koji virus djeluje s receptorom i određuje strukturne osobine važne za vezivanje i djelovanje nekih antitijela, ali ne dokazuje da će predložene molekule postati djelotvorni lijekovi. Takve molekule tek treba osmisliti i ispitati kako bi se utvrdilo mogu li stići do džepa i spriječiti vezivanje u odgovarajućim uslovima. Ipak, precizno određivanje mjesta koje treba napasti daje istraživanjima jasniju polaznu tačku nego pokušaj da se virus zaustavi bez poznavanja detalja njegovog kontakta s ćelijom.
Zaključak
Studija objavljena u časopisu Nature pokazuje da se virus Andes oslanja na šiljak sastavljen od četiri jedinice Gn kako bi stvorio duboki središnji džep za vezivanje ljudskog receptora PCDH1. Krioelektronska mikroskopija i funkcionalni eksperimenti otkrili su da tri petlje proteina Gn učestvuju u oblikovanju mjesta vezivanja, a izmjene povezane s tim dijelovima mogu prenijeti sposobnost vezivanja na glikoproteine hantavirusa iz Starog svijeta. Ispitivanje četiri neutralizirajuća antitijela pokazalo je da ona prekidaju vezivanje zaklanjanjem mjesta ili stvaranjem prepreke. Duboki džep otežava pristup većim antitijelima, iako do njega može doprijeti dugi i uski receptor. Ovi nalazi daju istraživačima osnovu da ispitaju izdužene molekule koje bi mogle ući u udubljenje i spriječiti vezivanje, s mogućom primjenom protiv virusa Andes i srodnih virusa poput virusa Sin Nombre.