"Знай своего врага," Сунь-цзы, великий воин войны, написал около 2500 лет назад. Сегодня, когда COVID-19 распространяется по всему миру, величайшая армия ученых-медиков, когда-либо собранная, стремится как можно быстрее узнать все, что может, о SARS-CoV-2, вирусе, стоящем за пандемией.
Вот учебник по вирусам в целом и SARS-CoV-2 в частности. По мере того как исследователи узнают все больше и больше о новом коронавирусе, вызывающем COVID-19, эти знания, собранные в результате непревзойденного научного сотрудничества, обращаются против вируса в режиме реального времени.
Не то, чтобы это было простое занятие. По сравнению с лабораторной посудой живые люди сложны. Клетки в этой чашке не такие, как клетки в живых тканях, пораженных SARS-CoV-2. Кроме того, среда, окружающая, скажем, легочную клетку в теле человека, отличается от окружающей среды в культуральной посуде. А еще есть вещь, которая называется "побочные эффекты." Вы не видите их в блюде. Но вы можете у пациента с COVID-19.
Что, собственно, такое вирус??
Вирусы – самая распространенная форма жизни на Земле, если принять предположение, что они живы. Попробуйте умножить миллиард на миллиард, а затем умножить это на 10 триллионов. Это – 10 в 31-й степени – ошеломляющая оценка того, сколько отдельных вирусных частиц населяет планету.
Вирус – это живое существо? Может быть. Иногда. Это зависит от местоположения. "Вне клетки вирусная частица инертна," вирусолог Ян Каретт, Ph.D., доцент микробиологии и иммунологии, сказал мне. Сам по себе он не может воспроизводить себя или, если на то пошло, вообще что-либо производить. Это абсолютный паразит.
Или, можно сказать более милосердно, это очень эффективно. Вирусы путешествуют налегке, упаковывая только тот багаж, который им абсолютно необходим, чтобы взломать клетку, завладеть ее молекулярными механизмами, размножиться и сбежать.
«Есть исключения почти из каждого правила, но у вирусов есть общие черты», – сказал Каретт.
Дорожный набор вируса всегда включает его геном, то есть его набор генов, и окружающую белковую оболочку, или капсид, который сохраняет вирусный геном в безопасности, помогает вирусу цепляться за клетки и забираться внутрь, а иногда и способствует бегство своего потомства. Капсид состоит из идентичных белковых субъединиц, форма и свойства которых определяют структуру и функцию капсида.
Некоторые вирусы также носят жирные пальто, называемые конвертами, сделанные из украденных клочков мембран последней инфицированной ими клетки. У коронавирусов есть оболочки, как у вирусов гриппа и гепатита С, вирусов герпеса и ВИЧ. Риновирусы, вызывающие большинство простудных заболеваний, а вирусы полиомиелита – нет. Вирусы в оболочке особенно презирают мыло, потому что оно разрушает жирные мембраны. Мыло и вода для этих вирусов то же самое, что выдыхание чеснока для вампира, поэтому мытье рук творит чудеса.
Как вирусы проникают в клетки, размножаются и устремляются к выходу?
Чтобы вирус мог распространиться, он должен сначала проникнуть в клетку. Но, сказала Каретт, "проникнуть за периметр клетки непросто." Наружные мембраны клеток обычно трудно проникнуть без специального прохода. У вирусов есть способы обмануть клетки, чтобы они впустили их, хотя. Как правило, часть оболочки вируса будет иметь сильное сродство к связыванию с тем или иным белком, покрывающим поверхности того или иного типа клеток. Связывание вируса с этим белком клеточной поверхности служит пропускным билетом, облегчая проникновение вируса в клетку.
Вирусный геном, как и наш, представляет собой набор инструкций по производству белков, необходимых организму. Этот геном может состоять либо из ДНК, как в случае со всеми существами, за исключением некоторых вирусов, либо из близкой по химическому составу РНК ДНК, которая гораздо более гибкая и несколько менее стабильная. Геном SARS-CoV-2 состоит из РНК, как и геномы большинства вирусов, заражающих млекопитающих.
В дополнение к гену, кодирующему его капсидный белок, каждому вирусу нужен еще один ген для собственной версии фермента, известного как полимераза. Внутри клетки вирусные полимеразы генерируют многочисленные копии генов захватчика, по инструкциям которых послушная молекулярная сборочная линия клетки производит субъединицы капсида и другие вирусные белки. Среди них могут быть белки, способные кооптировать клеточный аппарат, чтобы помочь вирусам размножаться и ускользать, или настраивать собственный геном вируса – или наш. В зависимости от типа вируса геном может содержать всего два гена – один для белка, из которого построен капсид, другой для полимеразы, – или целых сотни.
Капсиды самособираются из своих субъединиц, часто с помощью белков, изначально созданных клеткой для других целей, но кооптированных вирусом. Свежие копии вирусного генома упаковываются во вновь изготовленные капсиды для экспорта.
Часто обильные потомки вируса наказывают доброе дело клетки, которая их произвела, лизируя его – пробивая дыры в его внешней мембране, вырываясь из нее и разрушая клетку в процессе. Но оболочечные вирусы могут ускользать с помощью альтернативного процесса, называемого почкованием, при котором они оборачиваются частью мембраны инфицированной клетки и диффундируют через внешнюю мембрану клетки, не повреждая ее структурно. Даже тогда клетка, породившая множество детских вирусов, часто остается смертельно ослабленной.
Представляем коронавирус и как он распространяется
Теперь мы знаем, как ваш средний вирус – по существу инертная частица сам по себе – умудряется проникать в клетки, захватывать их молекулярные механизмы, делать копии самого себя и двигаться дальше, чтобы снова заразить.
Это просто царапает поверхность. Из миллионов различных вирусных видов, идентифицированных к настоящему времени, только около 5000 были подробно охарактеризованы. Вирусы бывают разных форм и размеров – хотя все они маленькие – и заражают все, включая растения и бактерии. Ни один из них не работает одинаково.
Так что насчет коронавирусов?
Оболочечные вирусы, как правило, менее устойчивы, когда они находятся вне клеток, потому что их оболочки уязвимы для разложения под воздействием тепла, влажности и ультрафиолетового компонента солнечного света.
Когда дело доходит до коронавирусов, это должно быть для нас хорошей новостью. Однако плохая новость заключается в том, что коронавирус может быть довольно стабильным вне клеток, потому что его шипы, выступающие, как иглы из подушечки для булавок, защищают его от прямого контакта, позволяя ему выживать на поверхностях в течение относительно длительных периодов времени. (Тем не менее, мыло или дезинфицирующие средства для рук на спиртовой основе хорошо справляются с этим.)
Как упоминалось ранее, вирусы используют белки, которые находятся на поверхности клеток, в качестве стыковочных станций. Белки-аналоги коронавирусов – те же самые шипы. Но не все всплески коронавируса одинаковы. Относительно доброкачественные варианты коронавируса, которые в худшем случае могут вызывать першение в горле и насморк, прикрепляются к клеткам верхних дыхательных путей – носовых полостях и глотке. Вирусный вариант, который является движущей силой сегодняшней пандемии, опасен, потому что его белки-шипы могут закрепляться за клетками нижних дыхательных путей – легкими и бронхиальными клетками, – а также клетками легких, сердца, почек, печени, мозга, слизистой оболочки кишечника, желудка и т.д. кровеносный сосуд.
Лечение антителами может блокировать связывание
В успешном ответе на инфекцию SARS-CoV-2 иммунная система производит попурри из специализированных белков, называемых антителами, которые накапливаются в разных местах вируса, иногда блокируя его прикрепление к белку клеточной поверхности, за который он пытается зацепиться. Стэнфорд участвует в клинических испытаниях, спонсируемых Национальными институтами здравоохранения, с целью выяснить, может ли богатая антителами плазма (бесклеточная часть крови) выздоровевших пациентов с COVID-19 (которым больше не нужны эти антитела) смягчить симптомы у пациенты с легкой болезнью и предотвращают ее прогрессирование от легкой до тяжелой.
Так называемые моноклональные антитела к антителам в плазме выздоравливающих – это то же самое, что лазер к лампочке накаливания. Биотехнологи узнали, как идентифицировать варианты антител, которые лучше всего цепляются за определенные места на шипованном белке SARS-CoV-2, тем самым препятствуя связыванию вируса с нашими клетками, – и они могут производить только эти варианты в большом количестве. Стэнфорд запускает Фазу 2 клинических испытаний моноклональных антител для лечения пациентов с COVID-19.
Беспокойство: частота вирусных мутаций намного выше, чем у бактерий, что значительно превосходит таковые в наших сперматозоидах и яйцеклетках. РНК-вирусы, включая коронавирус, мутируют даже легче, чем ДНК-вирусы: их полимеразы (те ферменты, которые копируют геном, упомянутые ранее) обычно менее точны, чем у ДНК-вирусов, а сама РНК по своей природе менее стабильна, чем ДНК. Таким образом, вирусы, и особенно РНК-вирусы, легко развивают устойчивость к попыткам нашей иммунной системы найти и помешать им.
Стэнфордские исследования могут помочь выявить, "лазер" или кухонная раковина "лампочка" подход работает лучше всего.
Вирус проникает в клетку
Доцент кафедры химической инженерии и спелеологии субклеточного отсека Монтер Абу-Ремайле, Ph.D., описал два ключевых способа, которыми коронавирус проникает в ячейку и ищет там утешения, и как можно было бы заблокировать один из этих путей проникновения с помощью правильного препарата.
Вот один способ: как только коронавирус прикрепляется к клетке, его жирная оболочка вступает в контакт с такой же жирной внешней мембраной клетки. Смазка любит жир. Вирусная оболочка и клеточная мембрана сливаются, и вирусное содержимое попадает в клетку.
Другой способ сложнее. Прикрепление вируса может вызвать процесс, при котором область на внешней мембране клетки, ближайшая к месту контакта, прогибается – с вирусом (к счастью), заключенным в ловушку – до тех пор, пока он не будет полностью защемлен, образуя входящую мембрану. -покрытая жидкоцентрированная капсула, называемая эндосомой внутри клетки. (Чтобы визуализировать это, представьте себя с комком жевательной резинки во рту, надувающим внутренний пузырь, вдыхая, а затем глотающим его. В этой аналогии вы – клетка, и вся ваша кожа, начиная с губ, составляет внешнюю мембрану клетки.)
В этой эндосоме заключена вирусная частица, которая приводит в движение процесс. Маленький дьявол только что проехал по святилищу камеры. На данный момент вирусная частица состоит из оболочки, капсида и замкнутого генома – это план для более чем двух десятков белков, необходимых вирусу, а пораженная клетка не обеспечивает.
Но эндосома не остается эндосомой на неопределенный срок, сказал мне Абу-Ремайле. Его миссия – стать другим объектом, называемым лизосомой, или слиться с существующей лизосомой.
Лизосомы служат фабриками по переработке клеток, расщепляя крупные биомолекулы на составляющие их строительные блоки для повторного использования. Для этого им нужна кислая среда, создаваемая белковыми насосами на их поверхностных мембранах, которые заставляют протоны проникать в эти везикулы.
Внутренняя кислотность здания активирует ферменты, которые пережевывают белки шипа закрытого коронавируса. Это приводит оболочку вируса к контакту с мембраной везикул и обеспечивает их слияние.
Вирусный геном выпрыгивает на большие просторы клетки. Там вирусный геном найдет и завладеет сырьем и молекулярным оборудованием, необходимым для выполнения его генетических инструкций. Этот механизм будет яростно вырабатывать вирусные белки, в том числе индивидуализированную полимеразу SARS-CoV-2, необходимую для репликации собственного генома. Копии генома и капсидных белков вируса будут собраны вместе и переупакованы в вирусное потомство.
Пара близкородственных препаратов, хлорохин и гидроксихлорохин, вызвала множество публикаций в прессе, но пока результаты клинических испытаний по лечению COVID-19 в основном неутешительные. Некоторые исследователи рекомендуют использовать гидроксихлорохин, но с оговоркой, что его следует применять на ранних стадиях заболевания.
В лабораторной посуде эти препараты диффундируют в клетки, где они снижают кислотность в эндосомах и предотвращают ее накопление в лизосомах. Без этой необходимой кислотности белки-шипы вирусной мембраны не могут быть пережеваны, и вирусная оболочка не может вступить в контакт с мембраной эндосомы или лизосомы. Вирус остается запертым в тюрьме собственного устройства.
Во всяком случае, вот что происходит с блюдом. Но насколько это важно, покажут только дальнейшие клинические испытания.
Как размножается коронавирус
SARS-CoV-2 проник в клетку либо путем слияния, либо въехав внутрь, как лилипутский акванавт, незаметно укрывшись внутри эндосомы. Если все идет хорошо, вирус сливается с мембраной окружающей эндосомы. Вирусный геном выливается в (относительно) обширный окружающий клеточный океан.
У этой одинокой единственной цепи РНК, которая является геномом вируса, есть большая работа – фактически две, Джудит Фридман, доктор философии.D., профессор биологии и генетики, сказал мне, чтобы начать воспитывать стаю потомков. Он должен реплицироваться целиком и в большом количестве, причем каждая копия является потенциальным семенем новой вирусной частицы. И он должен генерировать несколько частичных копий самого себя – обрезанные участки, которые служат инструкциями, сообщая машинам клетки, производящим белок, называемым рибосомами, как производить более двух десятков белков вируса.
Чтобы сделать и то, и другое, вирусу нужна особая полимераза, белок, который будет работать как копировальная машина для вирусного генома. Каждая живая клетка, в том числе и наша, использует полимеразы для копирования своего ДНК-генома и транскрибирования его содержимого (генов) в инструкции на основе РНК, которые рибосомы могут читать.
Геном SARS-CoV-2, в отличие от нашего, состоит из РНК, поэтому он уже дружелюбен к рибосомам, но репликация самого себя означает создание РНК-копий РНК. Наши клетки никогда не нуждаются в этом, и им не хватает полимераз, которые могут.
Однако в геноме SARS-CoV-2 есть ген, кодирующий РНК-РНК-полимеразу. Если эта одиночная цепь РНК может найти и вставить себя в рибосому, последняя сможет преобразовать генетический план вирусной полимеразы в рабочий белок. К счастью для вируса, в одной клетке может быть до 10 миллионов рибосом.
После создания вирусная полимераза генерирует не только несколько копий полноразмерного вирусного генома – репликацию, но и отдельные вирусные гены или их группы. Эти фрагменты могут карабкаться на рибосомы и приказывать им производить полный репертуар всех белков, необходимых для сборки многочисленных новых вирусных потомков.
Эти недавно созданные белки включают, в частности, больше молекул полимеразы. Каждую копию генома SARS-CoV-2 можно многократно скармливать через продуктивные молекулы полимеразы, создавая мириады точных воспроизведений исходной цепи.
Ну в основном верные. Мы все совершаем ошибки, и вирусная полимераза не исключение; на самом деле, это довольно небрежно, поскольку полимеразы идут – гораздо больше, чем полимеразы наших собственных клеток, сказали мне Каретт и Фридман. Таким образом, копии исходной цепи – и их копии – рискуют столкнуться с ошибками копирования, иначе говоря, мутациями.
Однако полимеразы коронавируса, в том числе SARS-CoV-2, обладают уникальным помощником "корректор протеин" который улавливает большинство этих ошибок. Он вырезает неправильно вставленный химический компонент и дает полимеразе еще один, в целом успешный, удар по вставке правильной химической единицы в растущую последовательность РНК.
Противозачаточные средства от коронавируса
Экспериментальный препарат ремдесивир, одобренный для экстренного применения среди госпитализированных пациентов с COVID-19, напрямую нацелен на полимеразы РНК-вирусов. Стэнфорд участвовал в клинических испытаниях, приведших к одобрению этого инъекционного препарата. Первоначально разработанный для лечения инфекции, вызванной вирусом Эбола, он принадлежит к классу лекарств, которые действуют, выдавая себя за законные химические строительные блоки последовательности ДНК или РНК. Эти позеры вшиваются в зарождающуюся прядь и так сильно склеивают вещи, что полимераза останавливается или производит дефектный продукт.
"Теперь, с лекарством, вирус начинает создавать множество гнилых геномов, которые отравляют процесс репликации вируса," сказал Фридман, председатель Дональда Кеннеди в Школе гуманитарных и естественных наук.
Ремдесивир обладает тем достоинством, что не портит собственные полимеразы наших клеток, – сказал Роберт Шафер, доктор медицинских наук, профессор инфекционных заболеваний, который ведет постоянно обновляемую базу данных результатов испытаний лекарств, нацеленных на SARS-CoV-2.
Но хотя ремдесивир довольно хорош в подделке белка-компаньона-корректора вирусной полимеразы, он далек от совершенства, сказал Шафер. Некоторым интактным копиям вирусного генома все еще удается создать, ускользнуть из клетки и заразить другие клетки – миссия выполнена.
По словам Шафер, использование ремдесивира в сочетании с некоторыми все еще востребованными, но еще не обнаруженными препаратами, которые могут блокировать работу корректора, может быть более надежной стратегией, чем использование одного ремдесивира.
Финальный раунд на клеточном боксерском ринге
Помимо репликации своего полноразмерного генома, вирус должен производить много белков. И он знает, как. Эти фрагменты РНК, созданные вирусной полимеразой, приспособлены для игры по правилам производства белка в клетке – ну, до определенного момента. Они вписываются в рибосомы точно так же, как и собственные нити клетки "информационная РНК" копируется из генов клетки ее собственными ДНК-читающими полимеразами. Так называемые мРНК – это инструкции по созданию белков.
Но есть загвоздка: среди белков, которые вирус заставляет производить рибосомы, есть такие, которые, будучи произведены, кусают руку, которая их кормила. Некоторые недавно созданные вирусные белки являются домом для рибосом в процессе считывания той или иной цепи мРНК клетки, цепляются за цепь и упорно держатся, задерживая рибосому до тех пор, пока цепь мРНК клетки не развалится.
Однако у всех геномных цепей РНК, которые генерирует вирус, есть небольшие блокады на их передних концах, которые защищают их от зацепления за рибосомы клетки бригадой по уничтожению вирусов. Результат: конвейерная линия по производству белка в клетке полностью переключена на производство вирусных белков. Это два фактора: он увеличивает производство вирусных компонентов и подавляет естественную первую линию защиты инфицированной клетки.
Интерфероны как потенциальное лечение
Среди мертворожденных белков клетки есть молекулы, называемые интерферонами, которые клетка обычно вырабатывает, когда чувствует, что заражена вирусом. У интерферонов есть способы обезьянничать с операциями вирусной полимеразы и подавлять репликацию вируса. Кроме того, интерфероны, секретируемые инфицированными клетками, действуют как "вызвать войска" сигналы бедствия, которые предупреждают иммунную систему организма о присутствии и местонахождении инфицированной клетки.
Вместо этого тишина. Преимущество: вирус.
Есть несколько разных видов интерферонов. В Стэнфорде проводится клиническое испытание, чтобы определить, может ли однократная инъекция одного из них, называемого интерферон-лямбда, вывести из больницы только что диагностированных пациентов с легкими симптомами COVID-19, ускорить выздоровление и снизить передачу инфекции членам семьи и другим больным. сообщество.
Еще кое-что о вирусах
Если вы уже не ненавидите и не уважаете вирусы, возможно, вы не обращали внимания. Но есть еще кое-что.
Вирусы не всегда убивают взятые в заложники клетки. Некоторые вшивают свои гены в геном клеток, в которые они вторглись, и эти вставки складываются. Последовательности вирусной ДНК составляют полностью 8% нашего генома – в отличие от всего лишь 1%, который кодирует белки, из которых мы в основном состоим, и которые делают большую часть.
"В наш геном «вторглись» предыдущие встречи с ретровирусами после заражения сперматозоидов или яйцеклеток," Каретт сказала мне. "В результате эволюции гены этих ретровирусов стали неактивными."
Но, как всегда, есть исключение. Как сказала мне Каретт: "Древний вирусный ген был перепрофилирован, чтобы играть важную роль в эмбриогенезе," процесс формирования и развития эмбриона. Белок, кодируемый этим геном, обеспечивает слияние двух типов клеток в плаценте развивающегося плода, обеспечивая обмен питательными веществами и отходами между развивающимся эмбрионом и кровоснабжением матери.
То есть без них не было бы нас.