Команда исследователей биологического факультета МГУ и Института биологии гена РАН (ИБГ РАН) разработала модульный нанотранспортер, способствующий деградации N-белка SARS-CoV-2. Полученная молекула состоит из нескольких модулей, среди которых антителомиметик к N-белку и модуль с последовательностью для привлечения убиквитинлигазы E3. Серия экспериментов подтвердила корректную работу разработанной структуры. Результаты исследования опубликованы в журнале Pharmaceutics.
Вирусы являются источниками многих заболеваний человека. Пример тому – вирус SARS-CoV-2 и пандемия COVID-19, к которой он привел. При разработке противовирусных препаратов важно учитывать, что вирусы постоянно мутируют, меняют свою генетическую структуру. Чтобы лекарство было эффективно как можно дольше, нужно выбрать структуру вируса, которая долгое время не меняется (консервативна). При лечении коронавирусных инфекций такой мишенью может служить N-белок, точнее его С-концевой домен, как наиболее консервативная часть. N-белок (он же нуклеокапсидный белок) является структурным белком вируса, кроме того он служит основой «вирусной фабрики» при репликации этого вируса.
Сотрудники биологического факультета МГУ и ИБГ РАН решили разработать конструкцию, которая позволит использовать системы деградации белков клетки для борьбы с вирусом. Для этого получили модульный нанотранспортер (МНТ) - химерный белок. Его особенность в том, что он состоит из нескольких частей — заменяемых модулей, каждый из которых обладает определенной функцией.
Работа МНТ состоит из нескольких этапов. Лигандный модуль позволяет нанотранспортеру связываться с рецепторами на поверхности клеток. За счет рецептор-опосредованного эндоцитоза МНТ попадает в замкнутые мембранные образования внутри клетки, называемые эндосомами. Затем при помощи эндосомолитического модуля происходит образование пор в эндосомах и молекула МНТ оказывается в цитозоле клетки. После этого МНТ переносится в определенный компартмент внутри клетки, задействуя другие пути внутриклеточного транспорта.
В цитируемой работе исследователи выбрали мишенью N-белок SARS-CoV-2. Для этого к МНТ присоединили антителомиметик, способный узнавать этот белок. Под антителомиметиками понимают белковые соединения, которые, как и антитела, могут распознавать определенные молекулы и связываться с ними (их ещё называют «скаффолды», или «альтернативные каркасные белки»; они меньше размером, чем антитела, но обладают аналогичным сродством к антигенам). Особенность разработанного авторами МНТ в том, что он не только способен обеспечивать доставку материала в клетку и распознавание мишени, но и вызывать разрушение целевой белковой молекулы. Для этого к антителомиметику присоединили аминокислотную последовательность, которую узнает и связывается убиквитинлигаза E3. В результате такого распознавания, N-белок будет убиквитинирован, то есть получит модификацию, которая для систем деградации клеток служит сигналом на уничтожение белковой структуры с такой меткой.
После синтеза МНТ, ученые провели серию экспериментов, которые подтвердили корректную работу каждого модуля in vitro. Затем проанализировали работу нанотранспортера уже in vivo - в эукариотических клетках, содержащих N-белок. Результаты подтвердили, что полученная конструкция способна вызывать значительную деградацию N-белка. В будущем ученые планируют протестировать МНТ уже на зараженных коронавирусом клетках. Интересно, что выбранный мишенью N-белок SARS-CoV-2 имеет схожую структуру с таковыми у SARS-CoV и MERS. Таким образом, полученный МНТ можно рассматривать как прототип возможного лекарства для лечения заболеваний, вызванных и этими коронавирусами. Эти три родственных вируса по оценке ВОЗ входят в десятку потенциально наиболее опасных инфекционных заболеваний.
«Данная работа — часть общей разработки платформы модульных нанотранспортеров, предназначенных для доставки биологически активных веществ в заданную часть клетки выбранного типа, в том числе — к нужной макромолекуле-мишени. Эти работы ведутся под руководством члена-корреспондента РАН, профессора кафедры биофизики нашего факультета и заведующего лабораторией ИБГ РАН Александра Соболева. В данном случае нам впервые удалось добиться воздействия антителоподобной молекулы на заданный внутриклеточный белок внутри клетки заданного типа. Это резко расширяет круг доступных белков-мишеней для прямого воздействия на молекулярном уровне. По имеющимся к настоящему времени оценкам для почти 90% известных внутриклеточных белок-белковых взаимодействий невозможно подобрать подходящий низкомолекулярный ингибитор.
Такие внутриклеточные мишени считаются “недоступными для лекарств” (“undruggable”) и, тем самым, не поддающимися терапевтическому воздействию. С помощью современных технологий к этим мишеням относительно легко получить антитела или их миметики, но проникновение подобных макромолекул в клетки, а тем более, в нужные для терапии компартменты клетки, оставалось нерешенной задачей. Создаваемый нами подход позволяет решить эту проблему. Более того, он позволяет добиться деградации выбранного белка с помощью доставки аналогов антител и привлечения убиквитинлигазы E3 в заданных клетках с помощью создаваемых модульных нанотранспортеров. Это, в свою очередь, может в перспективе значительно расширить имеющиеся методы исследования внутриклеточных процессов в живых клетках. Необходимо отметить, что полученные результаты были бы трудно достижимы без организации совместных работ биологического факультета МГУ и Института биологии гена РАН. В частности, значительная часть нашего продвижения в данном направлении была осуществлена сотрудником ИБГ РАН Ю.В. Храмцовым, применившего ряд биофизических методов для оценки взаимодействия белков внутри живой клетки», — прокомментировал Андрей Розенкранц, один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник кафедры биофизики биологического факультета МГУ.