Описан новый механизм, с помощью которого вирус гриппа подавляет защитную реакцию зараженной клетки. Белок одного из штаммов вируса имитирует гистон — белок клеточного ядра, — связываясь вместо гистона с комплексом ферментов, включающим противовирусные гены. В результате клетка лишается способности оборонительного ответа на инфекцию.
Проникая в клетку, вирус обычно осуществляет пиратский захват клеточных ресурсов и приспосабливает ее генетические механизмы для собственных нужд. В работе, опубликованной недавно в журнале Nature, описан новый механизм, посредством которого вирус гриппа А H3N2 вмешивается в эпигенетическую регуляцию работы генов. Эпигенетические регуляторные механизмы — механизмы, не связанные с изменениями последовательности нуклеотидов ДНК, но влияющие на работу генов, — в последние годы стали «горячей областью» исследований.
ДНК человека очень длинная. В нормальной клетке три метра ДНК распределены в 46 хромосомах, то есть в «средней» хромосоме содержится несколько сантиметров ДНК. Чтобы эта длинная нить не запуталась, существует еще не до конца понятный механизм ее плотной упаковки. Ведущую роль в упаковке ДНК играют белки клеточного ядра — гистоны. Гистоны также участвуют в регуляции работы генов — транскрипции (синтезе мРНК), в синтезе ДНК при размножении клеток, в устранении повреждений ДНК. Четыре главных гистона (H2A, H2B, H3, H4) формируют структуру, которую можно сравнить с катушкой для наматывания нити ДНК. Если ДНК упакована очень плотно, закодированные в ней гены «молчат», потому что к ним не могут присоединиться необходимые для экспрессии ферменты. Поэтому для активации генов упаковка должна быть ослаблена. Основная часть молекулы гистона свернута в компактную структуру, из которой торчит неструктурированный конец цепи белка. Модификации аминокислотных остатков этого конца, в частности метилирование (присоединение метильной группы –СН3), влияют на взаимодействие гистона с ДНК. Они могут привести к локальному «раскрытию» инертной компактной упаковки ДНК и активизировать работу генов.
В геноме вируса гриппа закодирован белок NS1, который не включается в состав самой вирусной частицы. Об NS1 уже было известно, что он накапливается в ядре зараженной клетки и подавляет клеточный ответ на заражение, блокируя продукцию интерферонов, нарушая формирование мРНК и ее выход из ядра. Анализ последовательности аминокислот, проведенный авторами данной работы, выявил на конце NS1 вируса гриппа А H3N2 последовательность, очень сходную с таковой на конце молекулы гистона H3. Эксперименты показали, что это сходство имеет и функциональные последствия: остаток аминокислоты лизина 229 на конце NS1 оказался подходящим субстратом для ферментов, присоединяющих метильную группу к лизину на конце гистона H3 как in vitro, так и в зараженной клетке. Если же в ген NS1 вводили мутацию — заменяли этот лизин на аргинин, — метилирования не наблюдалось. Таким образом, NS1 конкурирует с гистоном H3 за возможность быть метилированным и препятствует включению генов, связанных с раскрытием ДНК метилированным H3 (см. рис. 2).
Рис. 2. а. В норме неструктурированный конец гистона H3, содержащий аминокислотную последовательность (ARTK), может быть метилирован (синий кружок) по лизину (K) с помощью фермента Set1. Set1 включается комплексом ферментов hPAF1C, который также способствует работе РНК-полимеразы, а значит, транскрипции генов. Метилирование гистона H3 активирует транскрипцию.
b. Белок NS1 вируса гриппа А H3N2 имеет аминокислотную последовательность (ARSK), сходную с последовательностью гистона H3. С помощью этой последовательности NS1 связывается с комплексом hPAF1C и переключает Set1-метилирование с гистона H3 на себя. Транскрипция не активируется. Изображение из обсуждаемой статьи Krasnoselsky & Katze в Nature
В работе впервые было показано, что гистон H3 связывается с клеточным комплексом ферментов hPAF1C, который способствует работе РНК-полимеразы, осуществляющей транскрипцию — синтез мРНК. Оказалось что и здесь NS1 конкурирует с гистоном. И это также имело функциональные последствия.
Для того чтобы определить, как вирус влияет на работу генов в зараженной клетке, авторы применили очень мощный метод GRO-seq (global run-on sequencing) — «глобальное секвенирование прочитывания». Для анализа «прочитывания» синтезирующиеся в данный момент мРНК метили BrUTP — аналогом нормального субстрата РНК-полимеразы УТФ (уридинтрифосфата). Эту BrU-содержащую мРНК дробили на короткие фрагменты (примерно по 100 нуклеотидов) и очищали с помощью антител к BrU. Полученные препараты исследовали с помощью новых методов широкомасштабного «глобального» определения нуклеотидных последовательностей, многократно анализируя эти короткие фрагменты. Затем с помощью компьютерного анализа находили гены, с которых они прочитаны, и оценивали частоту их прочтения. Таким образом, метод позволяет не только идентифицировать работающие в данный момент гены, но и количественно определить уровень их активности.
Оказалось, что связывание hPAF1C с NS1 при заражении клеток вирусом H3N2 дикого типа сильно подавляло транскрипцию (синтез мРНК) ряда противовирусных генов. В то же время транскрипция генов, не связанных с защитной реакцией, не изменялась. Если же клетки заражали вирусом гриппа с мутантным белком NS1, лишенным способности связываться с hPAF1C, включение противовирусных генов происходило нормально.
Таким образом, вирус гриппа А H3N2 подавляет иммунный ответ зараженной клетки, используя ранее неизвестный эпигенетический механизм. Это еще раз показывает, насколько вирусы изобретательны в преодолении защитных барьеров организма. Возникают вопросы: в какой мере этот эпигенетический механизм уникален? Как он может повлиять на инфекционность вирус гриппа, на тяжесть заболевания? H3N2 не относится к самым агрессивным вирусам. Возможно, в процессе эволюции он выработал этот механизм усиления своей активности сравнительно недавно. NS1 других известных вариантов вируса гриппа также имеют неструктурированный конец цепи белковой молекулы, но в них нет гистоноподобных последовательностей. Невозможно предсказать, что будет, если такая последовательность появится в NS1 напугавшего человечество агрессивного «птичьего» вируса H5N1. Не приходится сомневаться, вирусы выработали и другие, пока неизвестные механизмы атаки на клетку. С точки зрения медицинской практики, полученные результаты могут быть использованы при разработке новых средств против гриппа.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ
