Вирус гриппа А перепрограммирует метаболизм клеток, чтобы заставить их синтезировать больше рецепторов к вирусным частицам

Основной путь выработки АТФ в легких — окислительное фосфорилирование. В норме оно обеспечивает клетки легких энергией и позволяет поддерживать такие важнейшие функции, как секреция и транспорт ионов. При нарушении окислительного фосфорилирования в клетках может происходить метаболический сдвиг — они переключаются аэробный гликолиз и активируют анаболические пути. Интересно, что похожее перепрограммирование метаболизма наблюдается при заражении вирусом гриппа. Авторы статьи в Science Advances показали, что нарушения окислительного фосфорилирования — один из механизмов патогенеза, усиливающий инфекцию вирусом гриппа А.

Связь дисфункции митохондрий с вирусной инфекцией изучали на мышах. Животных с нокаутом Ndufs4 — модель митохондриальной дисфункции — или дикого типа заразили вирусом гриппа A (для опытов использовали штамм X31, адаптированный к мышам). У нокаутных мышей на 3­–6 дни инфекции сильнее снижалась масса тела — это признак большей тяжести заболевания. Общее состояние животных (активность, поведение, выделения из глаз) также указывали на то, что при нокауте Ndufs4 у мышей развивалась более серьезная инфекция. Когда ученые сравнили вирусную нагрузку в тканях легких, оказалось, что на четвертый день инфекции она была существенно выше у мышей с нокаутом Ndufs4.

Цитокиновые профили также менялись при нокауте — в легких была повышена продукция CCL2, CXCL10 и интерлейкина-12p70 (IL-12p70). Кроме того, у нокаутных по Ndufs4 мышей наблюдалась системная гиперцитокинемия, о чем свидетельствовал высокий уровень тех же цитокинов, а также колониестимулирующего фактора гранулоцитов и макрофагов (GM-CSF), интерферона-α (IFN-α), IFN-γ, IL-6, CCL5 и фактора некроза опухоли-α (TNFα) в плазме крови. По-видимому, системная гиперцитокинемия у нокаутных мышей связана с дисрегуляцией периферического иммунного ответа, а не локального воспаления в легких.

Нокаут Ndufs4 нарушал работу митохондрий, в том числе в легких, снижая активность комплекса I по сравнению с диким типом. Проточная цитометрия с маркерами на поверхностные белки и флуоресцентным сенсором на АТФ выявила, что интенсивность окислительного фосфорилирования снижалась в клетках эпителия бронхов и альвеол. Однако оставалось неясно, достаточно ли этой дисфункции для метаболического перепрограммирования клеток легких.

Чтобы это выяснить, авторы провели метаболомный анализ. В клетках с нокаутом Ndufs4 возрастал уровень 193 метаболитов и понижался уровень 79; в клетках, зараженных вирусом гриппа А, таких метаболитов было 140 и 144, соответственно. В обоих случаях изменения затрагивали метаболические пути гликолиза и глюконеогенеза, пентозофосфатный путь, метаболизм аминокислот.

Отдельно ученые проверили, затрагивает ли этот сдвиг метаболические пути, ответвляющиеся от гликолиза. В первую очередь их интересовал биосинтез сиаловых кислот — основных рецепторов для связывания вирусных частиц с поверхностью клетки. Окрашивание тканей легких показало, что у мышей с нокаутом Ndufs4 был повышен уровень α2,3- и α2,6-связанных сиаловых кислот (SIA) по сравнению с диким типом. Эти результаты подтвердились и на клеточной модели.

Установив, что нарушения окислительного фосфорилирования активируют синтез сиаловых кислот, исследователи проанализировали роль этого механизма при инфекции вирусом гриппа. Оказалось, что уровень α2,3-SIA и α2,6-SIA, который возрастал в легочной ткани мышей с нокаутом Ndufs4, дополнительно повышался при заражении гриппом. Иными словами, метаболический сдвиг, вызванный дисфункцией митохондрий, усиливался еще и при инфекции, что облегчало дальнейшее проникновение вируса в клетки.

Из этого обнаружения логично следует вопрос о терапевтическом вмешательстве в этот метаболический сдвиг. Поскольку гликолиз подпитывает биосинтез SIA и облегчает связывание вирусных частиц с клеткой, ученые проверили, снизит ли ингибирование гликолиза восприимчивость клеток к вирусу. На клеточной модели использование 2DG (аналога глюкозы) или дихлорацетата блокировало гликолиз и снижало уровень как сиаловых кислот на поверхности клетки, так и колокализующихся с ними вирусных частиц. Опыты на мышах подтвердили этот результат, причем направленное вмешательство в энергетический обмен клетки в первую очередь улучшало состояние нокаутных животных. На мышей дикого типа дихлорацетат тоже оказывал терапевтический эффект при инфицировании гриппом, но куда менее выраженный.

Таким образом, вирус гриппа А перепрограммирует метаболизм клеток легких подобно тому, как это происходит при врожденной дисфункции митохондрий, и облегчает себе дальнейшее проникновение в клетки. Усиленный гликолиз, вызванный инфекцией, способствует синтезу сиаловых кислот — основных мишеней для связывания вирусных частиц с клетками хозяина. Особенно выражен этот эффект при уже имеющейся митохондриальной дисфункции — это объясняет, почему инфекция в таких случаях протекает тяжелее. Направленное вмешательство в метаболизм (например, ингибирование гликолиза) может стать ценной терапевтической стратегией.

Блокировка некроптоза защищает легкие от повреждения при гриппе