У 1918-1919 роках пандемія грипу - «іспанки» - забрала щонайменше, 20-50 мільйонів життів. Хвороба була викликана особливим штамом вірусу H1N1, імовірно відбувалися від вірусу, поширеного серед диких птахів. Нещодавно з'ясовано, що така «пересадка» вірусу з тварин на людину була обумовлена мутацією всього двох залишків в гемаглютиніну - білку оболонки вірусу, який бере участь в зараженні. Вивчивши структурні особливості «злому» глікорецепторов епітелію дихальних шляхів людини гемаглютиніни різних штамів вірусу, вчені пояснюють біохімію цього трагічного «навали».
Пандемія грипу- "іспанки" [1] прогриміла по всій землі в 1918-1919 роках і забрала близько 50 мільйонів людських життів, була викликана вірусом грипу серотипу N1H1 (для пояснення класифікації см. врізку), «перекинулася» з диких птахів - своїх природних носіїв - на людину. Трапившись одного разу, таке може трапитися і тепер: адже вже відомі випадки (в тому числі і смертельні) зараження людей «сучаснішою» модифікацією пташиного грипу - H5N1, зареєстрованого переважно в східній Азії. До сих пір ці випадки зараження не перейшли в епідемію, однак щоб зустріти небезпеку у всеозброєнні, необхідно знати механізм, який одного разу перетворив цілком безпечний для людини вірус в справжню загрозу всьому людству.
Ключовий етап зараження вірусом грипу - зв'язування білка вірусної оболонки гемаглютиніну (ГА) з сіалоглікорецепторамі на поверхні клітин дихального епітелію організму-носія. (Сіалоглікорецепторамі будемо називати інтегральні мембранні рецептори, модифіковані олігосахарідним молекулами, зокрема - залишками сіалова кислоти .) Слідом за зв'язуванням гемаглютинін «розкриває» мембрану епітеліальної клітини, і вміст вірусної капсули переходить в заражають клітину.
Вважається, що передача вірусу від птахів людям обумовлена адаптацією гемаглютиніну вірусу «пташиного» штаму до гліканов (вуглеводним складовим сіалоглікорецепторов) людських клітин, а саме - «перемиканням» з α2-3 сіалогліканов ( «пташиний тип») на що відрізняються типом гликозидной зв'язку α2- 6 сіалоглікани ( «людський тип»), що переважають на поверхні епітеліальних клітин верхніх дихальних шляхів людини.
вченим з Массачусетського технологічного інституту вдалося зв'язати топологію вуглеводів на поверхні сіалоглікорецепторов зі здатністю взаємодіяти з гемаглютиніни з різних штамів вірусу [3] , А також дати біохімічне пояснення поширенню пташиного вірусу грипу серед людей, що став причиною трагедії 1918 го [4] . Виявилося, що здатність зв'язуватися (а, значить, і заражати) з «людськими» α2-6 рецепторами з'явилася у штаму H1N1 вірусу пташиного грипу після ... всього двох мутацій в молекулі гемаглютиніну. «Спорідненість вірусного гемаглютиніну до людських сіалоглікорецепторам, судячи з усього, - найважливіша складова вірулентності. Дві мутації драматичним чином впливають на спорідненість гемаглютиніну до рецепторів, що знаходяться в верхніх дихальних шляхах людини », - говорить Рем Сасісекаран ( Ram Sasisekharan ), Провідний автор обох публікацій.
Вивчивши структурні особливості гліканов в α2-3 і α2-6 рецепторах, дослідники прийшли до висновку, що глікани на поверхні рецептора може перебувати в різних топологічних формах: «конусоподібній» - коли «дозволена» область для вуглеводних ланцюгів описується конусом) - і «зонтикоподібне »- коли витягнуті вуглеводні ланцюги можуть розгортатися ширше, на зразок розкритого парасольки (рис. 2). Одним з головних спостережень стало, що «конусоподібні» форма характерна для α2-3 рецепторів (що пов'язано з топологією 2-3-гликозидной зв'язку) і для α2-6 рецепторів з короткою вуглеводної ланцюгом. У α2-6 рецепторах з більш довгим ланцюгом (> 4 вуглеводних залишків) глікани набуває «зонтикоподібне» форму, що відрізняється способом зв'язування з гемаглютиніну.
Малюнок 2. «Конусоподібна» (зліва) і «зонтікоподобная» (праворуч) топології α2-3 і α2-6 сіалогліканов. Відповідна топологія визначається торсійними кутами в трісахаріди Neu5Ac-α2-3-Gal-β1-3 / 4-GlcNAc і Neu5Ac-α2-6-Gal-β1-4-GlcNAc (де Neu5Ac - N -ацетілнейраміновая кислота, Gal - галактоза і GlcNAc - N -ацетілглюкозамін). Конформаційний аналіз цих тріпептідов підтверджує, що для α2-3-молекули характерна тільки «конусоподібна» форма ГЛІКАНА (цьому сприяє сама геометрія 2-3-гликозидной зв'язку), а α2-6-молекули можуть брати обидві форми (топологія «розкритого парасольки» характерна для порівняно довгих олигосахаридов (> 4 вуглеводних залишків)).
Вчені називають знайдене відмінність основною причиною, по якій пташиний вірус грипу не може (поки ще?) «Перекинутися» на людину. У спеціалізованому експерименті дослідники вивчили зв'язування гемаглютиніну різних типів з сіалосахарідамі типів α2-3 і α2-6. «Пташиний» гемаглютинін з штамів H1N1, H3N8 і H5N3 практично не зв'язувався з α2-6-гліканов, відмінно взаємодіючи з «рідним» для себе α2-3 типом; гемаглютиніни людських вірусів зв'язувалися з обома типами гліканов, віддаючи «перевагу» молекулам з «зонтікоподобной» топологією - тобто, α2-6-гліканов з порівняно довгою вуглеводної ланцюгом. Грунтуючись на цих спостереженнях, вчені роблять висновок, що «людські» гемаглютиніни H1 і H3 походять від своїх «пташиних» предків, придбавши здатність ефективно взаємодіяти з «зонтікоподобнимі» α2-6 рецепторами і, отже, заражати людей.
Встановивши, як топологія вуглеводної «шапки» сіалоглікорецепторов впливає на зв'язування з гемаглютиніну, дослідники зосередилися на порівнянні вірулентності кількох штамів вірусу грипу, що існували під час пандемії 1918-1919 рр. і розрізняються тільки гемаглютиніну - що надзвичайно зручно для такого дослідження [4] . Вірулентність вивчали на тхорах - виявилося, що їх дихальний епітелій влаштований практично так само, як і людський - з точки зору поширеності сіалоглікорецепторов. В роботі порівнюються:
- «Той самий» A / South Carolina / 1/1918 (SC18), вкрай заразний для людини і селективно зв'язується з α2-6-рецепторами з довгими вуглеводневими ланцюгами;
- NY18, ГА якого відрізняється від SC18 лише одним амінокислотним залишком, слабо отруйний і демонструє змішане α2-3 / 6 зв'язування, і
- AV18, що містить дві мутації в ГА (ще одну, крім аналогічної в NY18), безпечний для людини - мабуть, через нездатність зв'язуватися з α2-6-рецепторами (вибірково зв'язується з α2-3-типом).
Щоб зрозуміти структурний механізм, який зумовлює вибірковість взаємодії гемагглютининов з гліканов рецепторів, дослідники грунтувалися на вже існуючих кристалографічних структурах H1-ГА в комплексі з гліканов [5] . Аналіз комплексів показав, що гемаглютинін штаму SC18 ідеально підходить для зв'язування ГЛІКАНА в топології α2-6 (рис. 3 А) - утворюючи специфічні взаємодії як з його «базової» областю (або областю «рукояті парасольки»), так і в «распрямлённой» області. У порівнянні з найбільш вірулентним штамом, комплекс NY18-ГА з гліканов відрізняється відсутністю специфічного стабілізуючого взаємодії з ASP225 (в NY18 цей залишок замінений на GLY, див. Рис. 2 Б, Г) в області «бази». AV18-ГА містить ще одну мутацію: ASP190GLU, яка полягає у втраті ще однією ключовою точки контакту з гліканов - на цей раз, з распрямлённой областю (рис. 3 В) - що, мабуть, є, причиною того, що AV18-ГА вибірково пов'язує «конусоподібні» глікани α2-3 «пташиних» рецепторів (і «коротких» α2-6-рецепторів), але не має спорідненості з «довгим» α2-6 гліканов, топологічно організованим на манер «парасольки».
Малюнок 3. Молекулярні взаємодії гемагглютининов вірусу грипу штамів SC18, NY18 і AV18 (блакитним кольором) з гліканов в топології α2-3 і α2-6 (зеленим кольором). У сайті зв'язування гліканов на поверхні гемаглютиніну показані найважливіші залишки, включаючи «якірну» область для N -ацетілнейраміновой кислоти олігосахариду (T136, W153, T155 і L194). Консервативні залишки K222 і Q226 забезпечують фіксацію залишку галактози в «базової» області. А - Взаємодія SC18-ГА з довголанцюгових α2-6 олігосахариди в «зонтікоподобной» топології. Залишки K222, D225 і Q226 стабілізують молекулу ГЛІКАНА в «базової» області, а D190, Q192 і S193 - в області розпрямлення молекули (область «розкритого парасольки»). Б - У разі комплексу NY18-ГА з довгою α2-6 молекулою помітна відсутність стабілізуючого «базову» область контакту з D225 (в порівнянні з SC18 на А). В - Взаємодія AV18-ГА з α2-3 гліканов з конічною топологією відрізняється від механізму зв'язування на А і Б. Залишки E190 і Q226 оптимально координують олігосахарид в конічної топології. Г - Порівняння ключових амінокислотних залишків гемагглютининов Sc18, NY18 і AV18 (нумерація на всьому малюнку дана по H1N1-ГА). Кольором виділені мутації NY18 і AV18 в порівнянні зі штамом SC18.
Виконана робота дозволяє зрозуміти, як саме лише дві мутації в безпечному для людини вірус коштували мільйонів людських життів. Однак ціна, заплачена за адаптацію «пташиного» H1N1 вірусу, який став для тих, хто вижив після пандемії 1918 го вже «людським», може бути запрошена знову: аналогічні адаптації можуть статися і з природної популяцією сучасного пташиного вірусу H5N1, поки дуже слабо поширюється серед людей. Виконана робота послужить основою моніторингу природних вогнищ вірусу пташиного грипу на предмет того, чи не з'явилася у них здатність до «пересадці» на людину, яка може привести до нової пандемії.
- Вікіпедія: « іспанський грип »;
- Вікіпедія: « грип »;
- Aarthi Chandrasekaran, Aravind Srinivasan, Rahul Raman, Karthik Viswanathan, S Raguram, et. al .. (2008). Glycan topology determines human adaptation of avian H5N1 virus hemagglutinin . Nat Biotechnol. 26, 107-113;
- A. Srinivasan, K. Viswanathan, R. Raman, A. Chandrasekaran, S. Raguram, et. al .. (2008). Quantitative biochemical rationale for differences in transmissibility of 1918 pandemic influenza A viruses . Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 2800-2805;
- SJ Gamblin. (2004). The Structure and Receptor Binding Properties of the 1918 Influenza Hemagglutinin . Science. 303, 1838-1842.
