Смертельный энцефалит оказался результатом коллаборации нормального и мутантного вирусов кори

По оценкам ВОЗ, в 2021 году во всем мире корью переболело почти девять миллионов человек, а число умерших достигло 128 тысяч. Корь часто протекает достаточно тяжело, однако при надлежащей медицинской помощи инфекция редко приводит к смерти пациента. Вероятность летального исхода заметно возрастает, если РНК-содержащим вирусам кори (Measles virus, MeV) при персистировании в ЦНС удается проникнуть в нейроны и спровоцировать развитие смертельно опасной версии энцефалита — подострого склерозирующего панэнцефалита. Она может развиться спустя годы после заражения корью.

Энцефалит — редкое осложнение кори. Вирусы кори в нормальных условиях не способны проникать в человеческие нейроны, из-за чего причины развития энцефалита после перенесенной болезни долго оставались загадкой для ученых. Исследователи из Университета Кюсю с коллегами из Киотского университета раскрыли необычный молекулярный механизм, позволяющий мутировавшему MeV проникать в клетки головного мозга человека и вызывать смертельно опасные формы энцефалита.

Авторы изучали образцы тканей, собранных у пациентов, умерших от подострого склерозирующего панэнцефалита. Анализ MeV, выделенных из тканей, показал наличие модификаций в гибридном белке (fusion protein, F-белок), одном из ключевых белков вируса кори, позволяющем вирионам инфицировать клетки. MeV имеет на своем капсиде два вида гликопротеинов: гемагглютинин и F-белок. Гемагглютинин связывается с рецепторами на клетках и запускает конформационные изменения F-белка, что приводит к слиянию вириона с клеткой.

Для анализа слияния вирусных частиц с клетками ученые использовали плазмиды, кодирующие белок гемагглютинин, нормальный F-белок или один из мутантных F-белков. Плазмиды трансфицировали в клетки линии 293FT, которые через 24 часа изучали под микроскопом. Результаты подтвердили, что мутации усиливают слияние мембран.

Команда вирусологов показала, что накопление мутаций в генах, кодирующих гибридный белок, позволяет вирионам проникать в нервные клетки. F-белок дикого типа не может индуцировать слияние мембран в нейронах, лишенных рецепторов к MeV, но мутантные F-белки из нейротропных штаммов MeV, полученных от пациентов с энцефалитом, используют молекулы клеточной адгезии CADM1 и CADM2 в качестве рецепторов. Гемагглютинин взаимодействует с CADM1 и CADM2 на одной и той же мембране, вызывая конформационные изменения мутантных F-белков, но не F-белков вирусов дикого типа. Авторы характеризуют мутантные F-белки с повышенной способностью к слиянию с клетками как гиперфузогенные и считают, что таковыми их делают кумулятивные мутации генов F-белков. Белки постепенно приобретают высокую фузогенность в процессе накопления множественных мутаций. При этом одни мутации F-белков повышают степень фузогенности и способности инфицирования нейронов, а другие — снижают.

Авторы обнаружили, что подострый склерозирующий панэнцефалит возникал только в том случае, когда частицы вирусов содержали одновременно и мутантную, и оригинальную формы F-белка. Мутировавший белок взаимодействует со своей нормальной формой и приобретает способность инфицировать нервные клетки человека. Взаимодействия белков помогают MeV пройти через мембрану нейронов, проникнуть внутрь и запустить процесс вирусной репликации.

Социовирусология — это пока еще новая концепция о взаимодействии вирусов друг с другом как группы. Популяции РНК-вирусов обычно содержат большое число вариантов геномов. Мутанты в вирусных популяциях могут взаимодействовать друг с другом, обеспечивая биологическое поведение всей вирусной популяции. Эти внутрипопуляционные взаимодействия бывают положительными и отрицательными, и в ряде случаев предполагают коллективное инфицирование клетки командой нескольких вирусных геномов (передача единым блоком, en bloc transmission). При этом для вирусов, передаваемых единым блоком, невозможно полностью оценить эффект конкретной мутации без учета взаимодействия между различными вирусными геномами.

Известно, что MeV обладает способностью включать несколько геномов в одну вирусную частицу. Исследователи создали плазмиды со смешанными геномами (дикий тип вируса с нормальными F-белками и варианты с мутантными F-белками), выделили из эмбрионов мыши первичные нейроны гиппокампа и инфицировали их смешанными геномами. Зараженные клетки проанализировали через четыре дня после инфицирования под флуоресцентным микроскопом и установили, что геномы дикого типа ограничивали распространение мутантных геномов в нейронах, но иногда мутантные геномы эффективно распространялись в нейронах только тогда, когда присутствовал дикий геном.

MeV заражает нейрон путем «блочного переноса», при котором в клетку попадает несколько копий разных вирусных геномов: геном, кодирующий мутантный F-белок, передается одновременно с геномом нормального F-белка, а затем два белка сосуществуют в инфицированной клетке. В нервных клетках множественные геномы MeV передаются через синапсы между нейронами посредством слияния клеток под воздействие гиперфузогенных F-белков. В результате чего нормальные и мутантные F-белки коэкспрессируются в инфицированных нейронах. Причем за счет коэкспрессии F-белка дикого типа происходит регуляция нейротропности мутантных вирусов: эффект гиперфузогенного F-белка подавляется, но этот эффект преодолевается при накоплении мутаций в F-белке; а активность мутантного F-белка с низкой способностью к слиянию с клетками и мембранами в присутствии нормальных F-белков повышается.

Таким образом, обычно фузогенность мутантных F-белков, выделенных из тканей пациентов, умерших от осложнения кори, снижается в присутствии F-белка дикого типа, хотя могут иметь место некоторые исключения.

Трудно объяснить естественный отбор мутантов с более низкой фузогенностью и, следовательно, способностью распространяться в головном мозге человека, однако передача геномов единым блоком и корректирующее влияние F-белка дикого типа проясняет этот парадокс. Эта модель также может объяснить причину, по которой для развития подострого склерозирующего панэнцефалита после острой инфекции обычно требуется несколько лет. Поскольку соприсутствие дикого генома MeV подавляет фузогенность большинства мутантных F-белков, может потребоваться множество дополнительных мутаций, чтобы преодолеть блокировку и получить достаточную фузогенность для эффективного распространения между нейронами. Вирусные популяции с определенным набором разных F-белков возникают в ходе коревой инфекции относительно нечасто, что объясняет, почему подострый склерозирующим панэнцефалитом развивается у очень небольшого числа носителей кори.

Авторы полагают, что полученные данные помогут разработать методы терапии и фармацевтические препараты, снижающие смертность пациентов при неврологических осложнениях кори.

Вирусные инфекции связаны с повышенным риском нейродегенеративных заболеваний