Шрифт:
Коронавирус цепляется за выступающий над поверхностью клеток ACE2 при помощи своего S-белка. В связывании участвует не весь белок, а его наружная расширенная часть – ее называют S1-фрагментом. Непосредственно с рецептором взаимодействует RBD-участок (receptor binding domain – домен, ответственный за связывание с рецептором), который очень точно прилегает к ACE2, повторяя все его выемки и впадины. Ученые любят называть такое точное присоединение взаимодействием типа ключ – замок.
ACE2 – не единственный рецептор, прилипнув к которому SARS-CoV-2 может проникнуть в клетки. В марте 2020 года ученые обнаружили {3} , что этот коронавирус умеет цепляться за рецепторы CD147. Но вот загвоздка: CD147 почти не встречаются на поверхности клеток дыхательных путей. Зато этих рецепторов много на иммунных клетках, в некоторые из которых, как было показано группой исследователей из Китая и США {4} , вирус может проникать. Пока до конца не ясно, использует ли он при этом CD147 или, может быть, какой-то третий тип рецепторов. Но сама возможность вторжения коронавируса в иммунные клетки вызывает настороженность, потому что именно разбаланс иммунного ответа является основной причиной смерти от SARS-CoV-2. Впрочем, похоже, что проникновение в иммунные клетки – необязательный и уж точно не основной механизм патогенеза вируса. О том, как именно SARS-CoV-2 влияет на иммунитет, мы подробнее поговорим в главе «Что коронавирус делает с нами».
3
K. Wang et al., “SARS-CoV-2 invades host cells via a novel route: CD147-spike protein,” bioRxiv, p. 2020.03.14.988345, Jan. 2020.
4
X. Wang et al., “SARS-CoV-2 infects T lymphocytes through its spike protein-mediated membrane fusion,” Cell. Mol. Immunol., Apr. 2020.
Самого по себе связывания с ACE2 уже достаточно для проникновения. Разумеется, не каждая вирусная частица, зацепившаяся за рецептор, сумеет попасть внутрь клетки, однако при существенном количестве вируса довольно у многих это получится. Но коварные вирусы придумали [6] дополнительный механизм, радикально увеличивающий шансы на проникновение: они используют сидящие в мембране протеазы [7] – ферменты, расщепляющие белки. Такие протеазы чрезвычайно важны для клетки, так как очень многие белки изначально синтезируются в виде полуфабрикатов – длинных аминокислотных цепей. Для того чтобы перевести такие заготовки в рабочую форму, их нужно разрезать в одном или нескольких местах – иногда чтобы откусить лишний хвостик, иногда потому, что свернуться в молекулы правильной формы могут только короткие цепочки. Множество таких протеаз находится в мембране большой внутриклеточной фабрики всевозможных полезных веществ под названием аппарат Гольджи. Но некоторые выносятся на внешнюю мембрану, вероятно для того, чтобы завершить процесс производства белков, которые активны на поверхности клетки или выделяются вовне, например, разнообразных сигнальных молекул. Еще часть протеаз оказывается на внешней мембране как побочный продукт внутриклеточной логистики – ферменты попадают туда в пузырьках с разными экспортными белками, регулярно поставляемыми из аппарата Гольджи.
6
Повторюсь: вирусы не обладают разумом и не сидят ночами, планируя, как бы поработить еще больше жертв. Этот механизм они получили в ходе случайных мутаций или рекомбинации (обмена кусками генетического материала) с другими вирусами. Просто так удобнее описывать происходящее.
7
По названию белка можно узнать, что он делает. Окончание -аза указывает на то, что белок обладает ферментативной активностью, то есть может катализировать какую-нибудь химическую реакцию. Первая часть названия отражает субстрат, реакцию с которым катализирует фермент, – в данном случае это протеины, то есть белки. По тому же принципу фермент, липаза катализирует расщепление жиров, а рибонуклеаза, или РНКаза, отвечает за расщепление рибонуклеиновых кислот. На самом деле это только одна из классификаций (есть еще, например, классификация по типу катализируемой реакции), но знать именно ее полезно, так как она позволяет, не залезая в «Википедию» или учебник биохимии, сразу понять, какую функцию выполняет тот или иной белок.
Протеазе все равно что расщеплять, лишь бы у белка была определенная последовательность, которую она узнаёт и режет. Хитрый коронавирус обзавелся сразу несколькими такими последовательностями в своем спайк-белке. После того как SARS-CoV-2 связывается с клеточным рецептором, он «подставляет» эти последовательности протеазам – и те простодушно расщепляют S-белок в нужных местах. Как предполагается, после этого конформация (форма) образовавшихся кусочков изменяется таким образом, что вся вирусная частица подтаскивается максимально близко к поверхности клетки и коронавирусу остается только слить свою мембрану с клеточной – точно так же, как сливаются вместе две капли масла, плавающие на воде. По другой гипотезе, вирус попадает внутрь клетки путем эндоцитоза, то есть как бы проваливается в выпячивающийся внутрь клетки мембранный пузырек {5} . Но как бы то ни было, содержимое вирусной частицы оказывается внутри клетки.
5
H. Wang et al., “SARS coronavirus entry into host cells through a novel clathrin- and caveolae-independent endocytic pathway,” Cell Res., vol. 18, no. 2, pp. 290–301, Feb. 2008.
Использовать клеточные протеазы для проникновения внутрь умеют многие вирусы: например, злобный родственник нынешнего коронавируса SARS (вирус, вызвавший вспышку атипичной пневмонии в 2002–2004 годах) эксплуатировал протеазу под названием TMPRSS2. Но SARS-CoV-2 не ограничился одной протеазой. В его спайк-белке вдобавок к последовательности, узнаваемой TMPRSS2, есть фрагмент, который расщепляет клеточная протеаза фурин. Предполагается, что готовность «работать» сразу с двумя протеазами делает нынешний коронавирус намного более заразным, чем его предшественник: если почему-либо TMPRSS2 окажется недоступна, он всегда сможет воспользоваться альтернативной протеазой {6} . Более того, благодаря использованию протеаз SARS-CoV-2 скрывается от иммунной системы. Важнейшая часть вирусной оболочки, на которую реагируют различные иммунные компоненты, в том числе антитела, – RBD-фрагмент. До того как какая-нибудь из протеаз расщепит спайк-белок, этот кусочек находится в «лежачей» конформации и практически не выдается наружу. После взаимодействия с протеазой RBD-фрагмент поднимается над поверхностью и его можно легко обнаружить, но в этот момент вирус уже сливается с клеточной мембраной, и, для того чтобы его обезвредить, необходимо привлекать другие рода иммунных войск {7} .
6
M. Hoffmann et al., “SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor,” Cell, vol. 181, no. 2, pp. 271–280.e8, Apr. 2020.
7
J. Shang et al., “Cell entry mechanisms of SARS-CoV-2,” Proc. Natl. Acad. Sci., vol. 117, no. 21, pp. 11727–11734, May 2020.
Различные протеазы используют в своих целях многие вирусы. Фурин печально знаменит тем, что сотрудничает с особо неприятными из них. Сайт (специфический участок) для расщепления фурином есть, например, у высокопатогенных штаммов птичьего гриппа. Его несет находящийся на поверхности вирусной частицы белок гемагглютинин. После того как сидящий на внешней мембране клетки фурин разрежет гемагглютинин на две субъединицы, на одной из них формируется участок, облегчающий слипание вирусной и клеточной мембран. Еще раз вирус птичьего гриппа использует фурин для того, чтобы более эффективно выпускать наружу новосинтезированные вирусные частицы – в этом случае работа пептидазы облегчает слияние вирусной и клеточной мембран изнутри клетки. Помогает фурин и вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ): один из белков его оболочки синтезируется в виде полуфабриката и нуждается в разрезании фурином. Белки флавивирусов, к которым относятся возбудители таких опасных болезней, как энцефалит, желтая лихорадка или лихорадка денге, также расщепляются фурином в процессе сборки вирусных частиц.
Удобную протеазу научились использовать не только вирусы: многие бактерии с ее помощью активируют свои токсины. Фурин расщепляет на две субъединицы А и В токсин дифтерийной палочки, после чего субъединица А отправляется в ядро и тормозит процессы, необходимые для синтеза клеточных белков (сам синтез белков идет в цитоплазме, но для его регуляции необходима работа определенных ядерных генов). После того как фурин разрежет на три части токсин сибирской язвы, структурная часть получившихся кусочков формирует канал, через который ядовитые фрагменты проникают в цитоплазму {8} .
Казалось бы, такой вредный для клетки белок должен исчезнуть под давлением отбора, но увы, фурин и другие протеазы играют важнейшую роль в работе клеток и развитии эмбрионов, поэтому животным приходится носить в себе такую мину. По этой же причине – из-за участия фурина во множестве физиологических процессов – его вряд ли получится использовать как мишень для потенциального лекарства от COVID-19, хотя в экспериментах на культурах клеток и показано, что его блокировка уменьшает инфекционность SARS-CoV-2. Предыдущие попытки применить ингибиторы фурина (вещества, которые «выключают» его) для лечения других заболеваний показали, что такой подход дает множество побочных эффектов {9} {10} .
8
E. Braun and D. Sauter, “Furin-mediated protein processing in infectious diseases and cancer,” Clin. Transl. Immunol., vol. 8, no. 8, Jan. 2019.
9
K. Kuba, Y. Imai, and J. M. Penninger, “Multiple Functions of Angiotensin-Converting Enzyme 2 and Its Relevance in Cardiovascular Diseases,” Circ. J., vol. 77, no. 2, pp. 301–308, 2013.
10
T. Ivanova et al., “Optimization of Substrate-Analogue Furin Inhibitors,” ChemMedChem, vol. 12, no. 23, pp. 1953–1968, Dec. 2017.
Размножение
Попасть внутрь клетки – половина дела. Цель вируса – создать как можно больше собственных копий, которые смогут распространиться и заразить другие клетки. Для этого необходимо синтезировать тысячи новых молекул РНК {11} для загрузки в вирусные частицы, а также все необходимые белки. Своих ресурсов для этого у коронавируса нет, зато есть инструменты, при помощи которых он может заставить клетку выполнить требуемые задачи. Эти инструменты – особые белки, которые переключают клетку из нормального режима работы в режим пособничества вирусу. Информация об аминокислотной последовательности таких хакерских белков закодирована в вирусной геномной молекуле РНК, причем это сделано крайне изобретательно. Чтобы впихнуть все необходимые данные в относительно небольшой геном, коронавирус (и не он один) использует хитрую комбинаторику. Его гены не записаны в молекуле РНК один за другим: они расположены внахлест – то есть перекрываются. Благодаря такому сжатию в одной и той же РНК умещается информация о большем количестве белков, чем если бы гены шли подряд. Если вы готовы немного погрузиться в биологию, чтобы разобраться, как именно вирусы извлекают информацию из перекрывающихся генов, читайте врезку ниже. Если нет – пропустите ее и переходите к следующему абзацу.
11
Y. M. Bar-On, A. Flamholz, R. Phillips, and R. Milo, “SARS-CoV-2 (COVID-19) by the numbers,” Elife, vol. 9, Apr. 2020.
Заложенную в молекуле РНК информацию считывает клеточная молекулярная машина рибосома. Она выглядит как округлая коробочка с длинной щелью, сквозь которую протягивается нить РНК. В активной рабочей зоне щели в каждый момент времени находятся три нуклеотида – буквы генетического кода. Как вы помните из главы 1, каждая такая тройка кодирует одну аминокислоту – базовую единицу белка. Вокруг рибосомы в цитоплазме плавают все 20 аминокислот, которые переносит специальный транспорт – особым образом свернутые маленькие молекулы РНК. Их называют тРНК, и каждой аминокислоте соответствует строго определенная тРНК. Аминокислоты на своем транспорте могут заплывать в щель рибосомы. Если оказавшаяся там аминокислота «правильная», то есть кодируется именно той тройкой нуклеотидов, которые в этот момент сидят в центре щели, тРНК «прилипнет» к ним и рибосома присоединит переносимую этой тРНК аминокислоту к растущей белковой цепи. После этого рибосома сдвинется по молекуле РНК на три нуклеотида и процесс будет повторяться до момента, пока машинка по синтезу белка не наткнется на стоп-кодон – определенную тройку нуклеотидов, на которых она отвалится от РНК.
Для того чтобы рибосома могла синтезировать с одной РНК несколько белков, вирусы используют хитрый трюк. Недалеко от стоп-кодона последовательность их РНК устроена таким образом, что легко закручивается в петлю. Рибосома умеет расплетать такие структуры, но на это ей требуется время. Петля только часть ловушки. Непосредственно перед ней находится особый участок РНК, который называют скользким. Он состоит из идущих подряд одинаковых букв, и, когда рибосома разбирается с петлей, она может случайно сдвинуться на одну букву, не заметив этого. Раскрутив петлю, рибосома продолжит синтез белка, но его последовательность окажется измененной, так как все следующие тройки нуклеотидов тоже будут сдвинуты на одну букву. В случае SARS-CoV-2 именно так синтезируются белковые цепи ORF1a и ORF1b (см. рис. 3). ORF1a рибосома строит как положено – от начала цепи до стоп-кодона. ORF1b получается, когда она запинается на расположенной ближе к концу ORF1a петле, перескакивает на одну букву и доделывает цепь до стоп-кодона в конце ORF1b. Таким образом, после нескольких циклов синтеза в клетке оказываются более короткие цепи ORF1a и длинная цепь ORF1ab, которая почти целиком включает ORF1a – кроме нескольких последних нуклеотидов, на которых рибосома соскользнула, – и всю цепь ORF1b.