Нормальный вирус кори помог мутантному вызвать смертельный энцефалит

Ученые из Японии в экспериментах на клетках выяснили, как вирус кори вызывает смертельный панэнцефалит. Было известно, что для заражения нейронов вирусу необходимы мутации в белке слияния F, который обеспечивает проникновение вируса через клеточную мембрану. Однако это не все — оказалось, что штаммы могут взаимодействовать между собой и образовывать вирусы со смешанным геномом. Так, исследователи выяснили, что F-белок дикого типа может снижать заразность мутантных штаммов, но иногда он, напротив, помогает мутантному белку слиться с клеточной мембраной — и обеспечивает развитие энцефалита. Исследование опубликовано в Science Advances.

Вирус кори обычно не поражает нервную систему, но в редких случаях может долго сохраняться в головном мозге и спустя годы после острой инфекции вызывать смертельное прогрессирующее неврологическое расстройство — подострый склерозирующий панэнцефалит (ПСПЭ). Скорее всего, это происходит из-за мутаций в РНК-геноме вируса.

Популяции РНК-вирусов развиваются быстро и вирусы в них часто мутируют из-за того, что фермент, который отвечает за копирование генома — РНК-зависимая РНК-полимераза — не умеет исправлять случайные ошибки. По этой причине новые вирусные штаммы появляются быстро, развивают лекарственную устойчивость, уклоняются от иммунитета и учатся заражать новые виды.

Из-за частых мутаций популяции вирусов могут содержать различные варианты — квазивиды. Эти варианты сами по себе могут иметь разные свойства, но помимо этого они взаимодействуют друг с другом, и в результате получают или теряют какие-то функции — это влияет на поведение всей вирусной популяции. Так происходит из-за того, что разные геномы вирусов могут одновременно единым блоком передаваться в клетку (en bloc transmission). Так возник, например, свиной грипп H1N1, геном которого содержит гены вирусов птичьего, свиного и человеческого гриппа. Несколько лет назад появился даже раздел науки, который изучает такие вирусные взаимодействия, — социовирусология.

Вирус кори содержит на поверхности два вида гликопротеинов — гемагглютинин H и белок слияния F. Белок H связывается с рецепторами на клетках и запускает структурную конформацию белка F — в итоге запускается слияние и вирус проникает через клеточную мембрану. Но в нейронах нет рецепторов к вирусу кори дикого типа, и поэтому F-белок такого вируса не может запустить слияние. Однако F-белок тоже может мутировать и приобретать повышенную фузогенность (способность сливаться с клеточными мембранами и опосредовать проникновение вируса в клетку). Одна из таких мутаций — T461I — обнаруживается в изолятах вирусов от пациентов с ПСПЭ. Такой мутантный вирус проникает в нейроны через рецепторы CADM1 или CADM2 — молекулы клеточной адгезии. Таким образом, в то время как вирус дикого типа не способен проникать в мозг, вирус с мутантным F белком с повышенной фузогенностью легко это делает.

Считается, что вирус кори распространяется в головном мозге с помощью трансинаптической передачи — от нейрона к нейрону. Вирусолог Юта Широгане (Yuta Shirogane) с коллегами из Университета Кюсю обнаружили, что несколько вирусных геномов могут передаваться вместе и одновременно сосуществовать в одном нейроне (и взаимодействовать между собой). Такие взаимодействия определяют способность вируса персистировать в головном мозге и передаваться между нейронами.

В базе данных NCBI исследователи нашли пять штаммов вируса кори от пациентов, умерших от ПСПЭ. В F-белке этих штаммов была замена T461I, которая придает белку повышенную фузогенность. Как показали предыдущие исследования, вирусы с таким мутантным F-белком эффективно распространяются в нейронах человека и мышей и в мозге хомячков. Выравнивание аминокислот показало, что в F-белках этих штаммов есть и другие аминокислотные замены, которые тоже могут вызывать повышенную фузогенность: N462S/N465S, G264E, F375S/N465K. Ученые трансфицировали в клетки линии 293FT плазмиды, кодирующие белок гемагглютинин дикого типа, F-белок дикого типа или один из мутантных белков F, зеленый флуоресцентный белок (EGFP) и рецептор (SLAMF1). Спустя 24 часа эти клетки исследовали с помощью флуоресцентного микроскопа. Выяснилось, что эти мутации действительно облегчают проникновение вируса в клетки.

Комбинаторные замены с мутантным белком F(T461I) тоже меняли фузогенность. Белки F(T461I/N462S/N465S) и F(G264E/T461I) проявляли повышенную фузогенность по сравнению с изначальным белком F(T461I). А вот белок F(F375S/T461I/N465K) был менее фузогенным, чем F(T461I) или чем такой же мутантный белок, но без включения T461I. Некоторые другие замены тоже увеличивали фузогенность других мутантных белков, но не белка дикого типа. Причем важным оказался и порядок внесения мутаций.

И если с мутациями, которые делают F-белок более фузогенным, все понятно, то выживание и персистирование в мозге штаммов с более низкой фузогенностью объяснить трудно. Чтобы разобраться, ученые исследовали возможные функциональные взаимодействия между различными вариантами F-белка.

Тогда исследователи воспроизвели ситуацию, когда в одной клетке экспрессируются сразу и геном вируса дикого типа, и мутантный геном. Почти для всех мутантов коэкспрессия F-белка дикого типа подавляла фузогенность. Но один мутантный F-белок F375S/T461I/N465K в присутствии нормального F-белка проявлял повышенную фузогенность, а без него — сниженную. Это оказался тот самый белок, чья собственная фузогенность была ниже остальных мутантов. Получается, взаимодействие мутантных F-белков и F-белков дикого типа изменяет влияние мутаций на фузогенность.

Затем ученые стали менять соотношения плазмид с мутантными и нормальными F-белками. Чем больше в клетках экспрессировалось белков дикого типа, тем менее фузогенными становились все мутантные белки, кроме одного. Фузогенность белка F(F375S/T461I/N465K) сначала повышалась, а потом снижалась, но все еще оставалась выше фузогенности нормального F-белка и даже изначального мутантного белка F(T461I). Это значит, что вирус с таким F-белком может иметь преимущество и активнее передаваться между нейронами в присутствии F-белка дикого типа.

Белок F структурно представляет собой тример, то есть состоит из трех олигомеров. Авторы предположили, что мутантные и нормальные белки могут соединяться в новый белок — гетеротример, где каждая из субъединиц нового F-белка принадлежит либо мутантому белку, либо нормальному. Именно это, по мнению авторов, и объясняет изменение фузогенности мутантных F-белков в присутствии F-белка дикого типа.

Ученые создали рекомбинантные вирусы, которые кодировали белки F (дикого типа), F(T461I) и F(F375S/T461I/N465K). Оказалось, что только вирус дикого типа и вирус с заменой T461I продуцировать инфекционные частицы, а вирус с белком F(F375S/T461I/N465K) — нет. Исследователи полагают, что этот мутант слишком нестабилен, поэтому инфекционность вируса страдает.

В завершении авторы заразили нейроны гиппокампа мышиных эмбрионов рекомбинантными вирусами, которые могли включать нормальный или мутантный геном (с теми же самыми заменами), или оба одновременно. Спустя четыре дня клетки наблюдали под флуоресцентным микроскопом. Результаты, полученные ранее, подтвердились: мутантный вирус с заменой T461I в F-белке активно инфицировал нейроны, но в присутствии генома вируса дикого типа начинал передаваться хуже. Вирус с белком F375S/T461I/N465K, наоборот, заражал нейроны, только если вирусная частица вместе с мутантным геномом содержала нормальный.

Ученые считают, что для вирусов, которые могут передаваться единым блоком, всегда необходимо учитывать взаимодействия между различными геномами.

Недавно мы писали о том, что между нейродегенеративными заболеваниями и вирусными инфекциями нашли много корреляций, но причины такой взаимосвязи для многих вирусов и болезней еще предстоит найти.