Нарушение симметрии капсида направляет выход вирусной РНК

Капсид икосаэдрических вирусов имеет 20 граней и состоит из множества идентичных белковых субъединиц, организованных в симметричную структуру. Для успешного заражения вирус с геномом в виде одноцепочечной РНК положительной полярности (+оцРНК) должен выпустить его в определенный момент и в определенном месте. Как симметричная структура «определяет», где должна располагаться точка выхода, долгое время оставалось загадкой. В новой работе, опубликованной в журнале Science Advances, ученые использовали комбинацию методов структурной биологии и биофизики, чтобы заглянуть внутрь вируса курчавости репы — патогена растений, имеющего сходство с пикорнавирусами человека.

Для визуализации вирусных частиц авторы использовали криоэлектронную микроскопию. Этот метод позволяет получать трехмерные изображения биологических молекул с почти атомарным разрешением, замораживая их в нативном состоянии. Исследователи запечатлели вирус как в обычном состоянии, так и в момент «расслабления» капсида — при низком pH (5,4), имитирующем условия внутри клетки растения. В таком состоянии вирусная частица немного расширяется, готовясь к выбросу генома.

Чтобы понять динамику процесса, команда использовала масс-спектрометрию с водородно-дейтериевым обменом. Суть метода заключается в погружении вируса в «тяжелую воду», где атомы водорода замещены дейтерием. Скорость замещения показывает, какие части белка скрыты или жестко связаны с другими молекулами (в данном случае — с вирусной РНК). Такой подход позволил определить участки капсида, которые первыми теряют контакт с геномом при распаковке.

Анализ полученных данных показал, что РНК внутри вируса распределена не равномерно, а сконцентрирована в одной половине капсида. Причиной такой полярности служит одна ковалентная изопептидная связь, соединяющая две белковые цепи R-домена капсидного белка. Эта связь формируется между лизином и глутаминовой кислотой и образует димер p80, утяжеляющий одну из сторон капсида-икосаэдра. Авторы работы сравнивают этот механизм с «загруженной игральной костью» (loaded die) — кубиком со смещенным центром тяжести, который всегда выпадает определенной стороной.

Изопептидная связь p80 служит своего рода якорем, который прочно удерживает РНК в компактизованном, подобно пружине, состоянии. При попадании вируса в клетку и изменении условий среды (снижение уровней кальция и pH) слабые связи между остальными белками и РНК разрушаются. Однако изопептидная связь p80 остается прочной, направляя высвобождение генома через точку выхода, расположенную рядом с этим «якорем».

Это открытие меняет представление о том, как функционируют простые вирусы. Асимметрия не возникает случайно в момент встречи с клеткой, а «встроена» в конструкцию вириона еще на этапе сборки. Обнаруженный механизм может стать мишенью для новых противовирусных стратегий: если блокировать образование изопептидной связи, вирус не сможет корректно высвободить свой геном и начать распространение. Кроме того, принципы такой упаковки могут быть использованы в нанотехнологиях для создания контейнеров, высвобождающих лекарственные молекулы в определенном направлении.

Капсид ВИЧ мимикрирует под белки-переносчики, чтобы проникнуть в ядро