Трехмерная модель ВИЧ: графический обзор данных о строении вирусной частицы.
И.Н. Константинов1, Ю.Э. Стефанов1, А.А. Ковалевский1, Е.Н. Воронин2
1 Компания Visual Science, Москва, Россия (www.vsci.ru, mailbox@visualscience.ru)
2 Всемирный центр по разработке вакцин от ВИЧ, Нью-Йорк, США (http://www.vaccineenterprise.org/)
Современная клеточная и молекулярная биология значительно продвинулась в изучении строения самых разных объектов - от отдельных биологических молекул до крупных молекулярных ансамблей, клеточных органелл и вирусов. В подобных исследованиях используются различные методы микроскопии и рентгеноструктурный анализ, однако, исследование сложных структур, таких, как, например, вирусные частицы, подразумевает длительную работу многих научных коллективов, которые независимо друг от друга изучают отдельные составные части того или иного объекта. Сведение воедино и визуализация полученных данных является масштабной задачей, сходной с написанием научного обзора.
В данной работе была поставлена цель - произвести обзор современных данных о строении вируса иммунодефицита человека и на их основе создать максимально детализированную трехмерную модель вирусной частицы (рис.1).
Рис.1.
Зрелая частица ВИЧ - это достаточно сложный объект. Ее размеры варьируют в пределах от 100 до 180 нм [1]. Геном вируса, представленный двумя молекулами РНК, вместе с ферментами, нужными для копирования генетического материала ВИЧ, располагается внутри белкового капсида в самом центре частицы [2]. Между капсидом и оболочкой вируса есть пространство, в котором находятся белки, как необходимые для успешного прохождения вирусного жизненного цикла, так и захваченные из цитоплазмы клетки-хозяина [3]. Все эти структуры окружает слой из тримеров белка вирусного матрикса, непосредственно над которым располагается липидная мембрана вируса, захваченная из клетки при почковании [4]. В мембрану интегрированы поверхностные белки, ответственные за взаимодействие с рецепторами заражаемых клеток. При этом помимо вирусных белковых комплексов в мембране остается ряд человеческих белков, также способных влиять на эффективность заражения [5].
Современные методы исследования не позволяют получить изображение целого вириона в достаточной для исследования детализации. Молекулы, входящие в состав вирусных частиц, и их взаимодействия изучаются различными научными коллективами. При этом работ и обзоров, которые описывают строение вирусной частицы в целом, крайне мало.
В ходе нашей работы по созданию 3D-модели ВИЧ были проанализированы современные данные о строении конкретных белков и других компонентов вирусной частицы. На основе этого были созданы и визуализированы их отдельные трехмерные модели. При этом были учтены возможные конформационные изменения отдельных молекул. В случае отсутствия данных о строении участков молекул недостающие фрагменты были заменены наиболее вероятными, предсказанными на основе гомологии. В основном такая проблема относится к трансмембранным участкам мембранных белков.
На следующем этапе была проанализирована пространственная организация компонентов вирусной частицы и их количественное соотношений в вирионе. Этот этап был наиболее трудоемким, поскольку данные, касающиеся подобных вопросов и, полученные с использованием различных методик, в наибольшей степени противоречивы. Помимо этого, вирионы могут отличаться друг от друга по форме, размеру и составу клеточных белков, захватываемых при почковании.
После того, как анализ всех необходимых публикаций был завершен, из подготовленных 3D-моделей отдельных структур (разных белков, РНК и липидов) была собрана модель целой частицы. При визуализации модели оранжевыми оттенками были показаны структуры, которые кодируются геномом вируса, а оттенками серого отмечены структуры, которые вирусная частица захватывает из человеческой клетки.
Итогом нашей работы стала своего рода трехмерная карта вирусной частицы, в которой каждый компонент и каждое взаимодействие, согласно опубликованным в ведущих мировых научных журналах данным, максимально отражает их реальную структуру. Мы убеждены, что подобная форма подачи научной информации актуальна и востребована специалистами разного профиля, а также в образовательном процессе и популяризации точного подхода к презентации научных исследований.
1. Benjamin J., Ganser-Pornillos B.K., Tivol W.F., Sundquist W.I., Jensen G.J. «Three-dimensional structure of HIV-1 virus-like particles by electron cryotomography.» J Mol Biol. 2005 Feb 18;346(2):577-88.
2. Watts J.M., Dang K.K., Gorelick R.J., Leonard C.W., Bess J.W. Jr, Swanstrom R., Burch C.L., Weeks K.M. «Architecture and secondary structure of an entire HIV-1 RNA genome.» Nature. 2009 Aug 6;460(7256):711-6
3. Ott D.E. «Cellular proteins detected in HIV-1» Rev Med Virol. 2008 May-Jun;18(3):159-75
4. Aloia R.C., Tian H., and Jensen F.C. «Lipid composition and fluidity of the human immunodeficiency virus envelope and host cell plasma membranes.» Proc Natl Acad Sci U S A. 1993 June 1; 90(11): 5181–5185
5. Cantin R., Fortin J.F., Lamontagne G., Tremblay M. «The presence of host-derived HLA-DR1 on human immunodeficiency virus type 1 increases viral infectivity» J Virol. 1997 Mar;71(3):1922-30