Wirus grypy to obiekt skrajnie mały – jego średnica wynosi około 100 nanometrów, czyli mniej więcej tysiąc razy mniej niż grubość kartki papieru. Mimo mikroskopijnych rozmiarów jest świetnie uzbrojony. Należy do tzw. wirusów otoczkowych, co oznacza, że zamiast gołej białkowej kapsuły ma dodatkową lipidową osłonę – elastyczną błonę, którą wykorzystuje do ataku.
Abordaż
Wirus grypy wykształcił mechanizm „dopadania” komórek, w którym wykorzystuje hemaglutyninę – wyspecjalizowane białko wystające na powierzchni jego otoczki. Hemaglutynina (HA) wyposażona w maleńką kotwicę – peptydy fuzyjne – to kluczowe narzędzie abordażowe grypy. Gdy wirus zbliża się do komórki gospodarza, hemaglutynina zarzuca piracką kotwicę. Potem zgina się wpół, przybliżając do siebie błonę zaatakowanej komórki i błonę wirusa, a peptydy fuzyjne rozpoczynają wrogie przejęcie. Jak? Budują pomost między dwoma lipidowymi błonami.
To właśnie ten moment – proces fuzji błon lipidowych – umożliwia uwolnienie materiału genetycznego wirusa do cytoplazmy komórki i rozpoczęcie infekcji.
Zrozumienie tego pirackiego manewru ma kluczowe znaczenie nie tylko dla badań nad procesem łączenia się błon lipidowych. Wiedza o mechanizmie fuzji pozwala naukowcom projektować strategie terapeutyczne skierowane przeciwko grypie, oparte na hamowaniu wnikania wirusa do komórki.
Fuzja pod lupą
Proces fuzji przeprowadzany przez hemaglutyninę jest od lat intensywnie badany. Mikroskopia elektronowa dostarczyła wiedzy o powstających w błonie lipidowej odkształceniach po „abordażu”. Krystalografia rentgenowska (technika, która pozwala ustalić położenie atomów w cząsteczce na podstawie tego, jak promieniowanie rentgenowskie rozprasza się na jej kryształach) zbadała strukturę atomową zewnątrzbłonowych części hemaglutyniny. A rezonans magnetyczny pozwolił przyjrzeć się układowi przestrzennemu atomów w obrębie samych peptydów fuzyjnych.
Zgromadzono też szereg danych na temat wpływu mutacji aminokwasowych – czyli zmian pojedynczych „cegiełek” budujących białko – na funkcje HA. Te zmiany mogą modyfikować zdolność hemaglutyniny do przyczepiania się do komórek i wywoływania fuzji. Sam proces fuzji błon lipidowych kryje jednak jeszcze wiele tajemnic – z tej prostej przyczyny, że potrzebna do ich wyjaśnienia rozdzielczość przestrzenna i czasowa wymyka się obecnym metodom eksperymentalnym. W szczególności, nieznany pozostaje sposób oddziaływania peptydów fuzyjnych z błonami lipidowymi.
Dr hab. Piotr Setny z Centrum Nowych Technologii UW, wraz ze współpracownikami opracował nowatorskie podejście, w którym generowane są syntetyczne obrazy z mikroskopu elektronowego na podstawie danych symulacyjnych.
– Zbudowaliśmy w komputerze układ reprezentujący peptyd fuzyjny „wciśnięty” pomiędzy dwie bardzo blisko przylegające do siebie błony lipidowe. Okazało się, że peptyd może działać na dwa różne sposoby. Albo pozostaje na powierzchni błony i tworzy coś w rodzaju pomostu stabilizującego pierwsze zetknięcie hydrofobowych wnętrz obu błon, albo wnika głębiej w jedną z błon, zaburzając jej strukturę i ułatwiając lokalne odkształcenie konieczne do rozpoczęcia fuzji. Hipoteza ta wymagała jednak sprawdzenia, czy peptyd rzeczywiście może przyjmować oba te ułożenia w realnych błonach biologicznych – tłumaczy dr hab. Piotr Setny.
Dwa sposoby wbijania szpilki
Do weryfikacji numerycznych przewidywań, że peptyd wbija się w błonę na dwa sposoby, została użyta niskotemperaturowa mikroskopia elektronowa (cryo-EM).
– Ta technika nie pozwala co prawda zobaczyć samych peptydów, ale pokazuje, jak kształtuje się gęstość atomów w poprzek błony. Taki profil gęstości jest jednak rozmyty i uśredniony: zawiera informację o lipidach i peptydach jednocześnie, więc sam z siebie nie odpowiada na pytanie, jak dokładnie ułożony jest peptyd. Dlatego ponownie sięgnęliśmy po modelowanie. Stworzyliśmy dwa modele: w jednym peptyd leżał na powierzchni błony, w drugim był w nią głęboko wbudowany. Następnie obliczyliśmy, jak wyglądałby profil gęstości atomów dla każdego z tych przypadków, czyli innymi słowy, jakie „obrazy” zobaczylibyśmy w mikroskopie elektronowym, w każdym z tych scenariuszy – doprecyzowuje nowatorskie podejście naukowiec.
Porównując wyniki symulacji z tym, co rzeczywiście pokazuje mikroskop, naukowcy mogli sprawdzić, który sposób „wbijania peptydowej szpilki” naprawdę zachodzi w naturze. Okazało się, że w typowych błonach komórkowych, które zawierają około 40% cholesterolu, peptydy najczęściej pozostają na powierzchni. W błonach o mniejszej zawartości cholesterolu peptyd wnika głębiej, miejscowo zaburza strukturę błony, nawet lokalnie ją uszkadzając.
Grypa i inne
Badania nad hemaglutyniną prowadzone na UW pozwoliły odtworzyć i zrozumieć, jak wyglądałby obraz mikroskopowy dla różnych ułożeń peptydu w błonie. To nic innego jak podglądanie procesu, którego nie da się zobaczyć bezpośrednio!
Ustalenia, jak peptyd fuzyjny naprawdę zachowuje się w błonie to wiedza na wagę złota. Przede wszystkim zrozumienie udziału hemaglutyniny w procesie fuzji błon lipidowych pomoże w zaprojektowaniu leków hamujących wnikanie wirusa do komórki. Ale to nie wszystko!
Ponieważ fuzja błon lipidowych jest mechanizmem bardzo uniwersalnym, występującym w wielu różnych układach biologicznych, badania naukowców z CeNTu rzucają również światło na całkiem inne procesy, takie jak wewnątrzkomórkowa migracja pęcherzyków lipidowych, uwalnianie neurotransmiterów czy też zapładnianie komórek jajowych.
