РНК-полимераза SARS-CoV-2: неряшливый копировальщик

Как мы уже видели ранее, когда происходит вирусная инфекция, вирус проникает в клетку-хозяина, первоначально через прикрепление вирусного рецептора (в случае SARS-CoV-2, это белок Spike), к белку клетки-мишени (в случае SARS-CoV-2 это фермент ACE2). Оказавшись внутри водной части клетки, называемой цитозолем, вирус «распаковывает» себя, высвобождая содержимое – смесь белков и генетического материала. В то время как генетическая информация, то есть то, что необходимо для создания клеточных компонентов, у людей хранится в молекулах ДНК, коронавирус использует одну молекулу РНК. У людей также присутствуют РНК молекулы, но они используются для других целей, например для продукции белков.

После того, как коронавирус инфицировал клетку, его цель состоит в том, чтобы обеспечить формирование новых копий вируса. Поэтому все, что присутствовало в проникшем внутрь клетки вирусе, должно быть «скопировано» и собрано для формирования новых вирионов, включая новые копии генетического материала (РНК – прим. авт.) самого вируса. Механизм синтеза новой РНК обнаружен в разных формах у всех организмов и называется РНК-полимеразой, то есть ферментом, который образует длинные цепи РНК. РНК-полимераза SARS-CoV-2 называется RdRP (РНК-зависимая РНК-полимераза), по сути, копирующая генетический материал вируса.

Несмотря на выполнение сложного и важного процесса, механизм копирования несколько небрежен: фактически, каждый раз, когда происходит копирование исходного генетического материала, создаются ошибки, и копия имеет различия по сравнению с оригиналом. Эти различия представляют собой так называемые мутации, которые влияют на структуру вирусных белков и их функцию. В последние дни мы слышали о варианте вируса G614 (D614G): когда РНК-полимераза «отвлеклась» при создании копии вирусного генома и сменила одну основу («кирпич») РНК. Это вызвало мутацию белка Spike в положении 614, который, однако, не является участком прямого контакта с ферментом ACE2, поэтому его влияние на структуру и функцию придется оценивать экспериментально, чтобы понять его последствия. В любом случае, эти мутации имеют последствия для вируса: они могут быть нейтральными, выгодными или неблагоприятными. Мутировавший вирус начнет циркулировать, если эта мутация даст ему преимущество для его жизненного цикла. Например, он может иметь более высокую эффективность при заражении клеток человека, но при этом наносить меньший ущерб организму-хозяину, поскольку, являясь высоко смертельно опасным вирусом, он исчезает из-за отсутствия гостей.

Фермент RdRP синтезирует копию генетического материала вируса, молекулу РНК, состоящую из четырех различных азотистых оснований. Фермент берет цепь РНК, которую нужно скопировать, и подбирает отдельные молекулярные единицы (нуклеотиды), комплементарные первичной цепи, которые составляет по одной согласно спариванию A:U и G: C (на рисунке: прямоугольники с разными цветами соединяют желтый с синим и красный с зеленым). Иногда RdRP нарушает соответствие между «кирпичикам», и это приводит к мутации в вирусном «потомстве». Если мутация полезна для выживания, она будет сохранена.

Давайте вернемся к основной функции РНК-полимеразы, то есть к копированию генетического материала SARS-CoV-2. Это важный шаг для формирования нового вируса, и, если бы мы могли заблокировать действие RdRP в зараженных клетках, вирус перестал бы реплицироваться. Молекулы, способные ингибировать РНК-полимеразу, являются отличными противовирусными препаратами! Молекула Ремдесивира, разработанная для ингибирования РНК-полимеразы вируса Эбола, также способна блокировать полимеразы других вирусов и является отличным примером противовирусного воздействия на RdRP. Подобно тому, что было замечено в Основной протеазе Mpro SARS-CoV-2, структурная биология может рассказать нам, как Ремдесивир может заблокировать механизм и, что наиболее важно, предлагает пути улучшения молекулы, чтобы гарантировать получение высокоспецифичного антивируса от коронавирусной инфекции. Исследователи из Академии наук Китая определили, используя технику криоэлектронной микроскопии, структуру RdRP, сфотографировав его в разгар его репликативной активности.

Слева: структура RdRP SARS-CoV-2, состоящая из трех белковых субъединиц с образованием активного гетеротримера, захваченного крио-ЭМ в процессе репликации РНК. Сердце RdRP выделено справа. Там же, активная форма препарата Ремдесивир отображается зеленым цветом, включенным в копию генетического материала вируса. Добавление препарата в копию РНК предотвращает полное копирование генетического материала, остаточные детали механизма все еще обсуждаются. Предоставлено доктором Дегано.

Эта структура показала, что Ремдесивир действует особым образом, не столько путем блокировки RdRP, сколько путем добавления себя в копию РНК, которая создается и действует в качестве сигнала «стоп», предотвращая работу РНК-полимеразы. Еще более интересно то, что структура показала, что точка, где Ремдесивир связывается с RdRP перед включением в РНК, имеет очень специфические характеристики, которые могут быть использованы химиками для синтеза еще более эффективной антивирусной молекулы. Две дополнительные структуры, определенные другими группами в различных условиях, предоставили другую информацию о механизме действия противовирусного средства и о том, как разработать более эффективные. В настоящее время уже существует соединение под названием EIDD-2801, которое в 10 раз более эффективнее Ремдесивира, и оно блокирует репликацию SARS-CoV-2 в культивируемых клетках. До момента, когда препарат станет доступным широким слоям населения, еще далеко. Однако благодаря структурной биологии мы добились больших успехов в понимании и борьбе с вирусом.