W ostatnich latach środki ochrony zdrowia publicznego, nadzór i szczepienia pomogły osiągnąć znaczny postęp w ograniczaniu wpływu sezonowych epidemii grypy, wywoływanych przez wirusy grypy ludzkiej typu A i B. Jednak możliwy wybuch ptasiej grypy typu A (powszechnie znanej jako „ptasia grypa”) u ssaków, w tym u ludzi, stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego.
Grupa Cusack w EMBL Grenoble bada proces replikacji wirusów grypy. Nowe badanie tej grupy rzuca światło na różne mutacje, którym wirus grypy ptaków może ulec, aby móc replikować się w komórkach ssaków.
Niektóre szczepy ptasiej grypy mogą powodować poważne choroby i śmiertelność. Na szczęście znaczące różnice biologiczne między ptakami i ssakami zazwyczaj zapobiegają rozprzestrzenianiu się ptasiej grypy z ptaków na inne gatunki. Aby zarazić ssaki, wirus ptasiej grypy musi zmutować, aby pokonać dwie główne bariery: zdolność do wnikania do komórki i replikacji w tej komórce. Aby wywołać epidemię lub pandemię, musi również nabyć zdolność do przenoszenia się między ludźmi.
Jednak sporadyczne skażenie dzikich i domowych ssaków ptasią grypą staje się coraz powszechniejsze. Szczególne zaniepokojenie budzi niedawna nieoczekiwana infekcja krów mlecznych w USA szczepem ptasiej grypy H5N1, który grozi endemicznym zakażeniem bydła. Może to ułatwić adaptację do ludzi i rzeczywiście zgłoszono kilka przypadków przeniesienia wirusa na ludzi, które do tej pory skutkowały jedynie łagodnymi objawami.
Sercem tego procesu jest polimeraza, enzym, który koordynuje replikację wirusa wewnątrz komórek gospodarza. To elastyczne białko może przegrupować się zgodnie z różnymi funkcjami, które pełni podczas infekcji. Należą do nich transkrypcja — kopiowanie wirusowego RNA do informacyjnego RNA w celu wytworzenia wirusowych białek — i replikacja — tworzenie kopii wirusowego RNA w celu pakowania do nowych wirusów.
Replikacja wirusa to złożony proces do zbadania, ponieważ obejmuje dwie polimerazy wirusowe i białko komórki gospodarza — ANP32. Razem te trzy białka tworzą kompleks replikacji, maszynę molekularną, która przeprowadza replikację. ANP32 jest znany jako „chaperon”, co oznacza, że działa jako stabilizator niektórych białek komórkowych. Może to robić dzięki kluczowej strukturze — długiemu kwaśnemu ogonowi. W 2015 r. odkryto, że ANP32 jest krytyczny dla replikacji wirusa grypy, ale jego funkcja nie została w pełni zrozumiana.
Wyniki nowego badania, opublikowane w czasopiśmie Nature Communications, pokazują, że ANP32 działa jako pomost między dwiema wirusowymi polimerazami – zwanymi replikazą i enkapsydazą. Nazwy te odzwierciedlają dwie odrębne konformacje przyjmowane przez polimerazy w celu wykonywania dwóch różnych funkcji – tworzenia kopii wirusowego RNA (replikaza) i pakowania kopii wewnątrz powłoki ochronnej z pomocą ANP32 (enkapsydaza).
Poprzez swój ogon ANP32 działa jako stabilizator kompleksu replikacji, umożliwiając mu utworzenie się w komórce gospodarza. Co ciekawe, ogon ANP32 różni się u ptaków i ssaków, chociaż rdzeń białka pozostaje bardzo podobny. Ta biologiczna różnica wyjaśnia, dlaczego wirus grypy ptaków nie replikuje się łatwo u ssaków i ludzi.
„Kluczową różnicą między ptasim i ludzkim ANP32 jest 33-aminokwasowa insercja w ogonie ptasim, a polimeraza musi dostosować się do tej różnicy” – wyjaśnił Benoît Arragain, adiunkt w grupie Cusack i pierwszy autor publikacji. „Aby ptasia polimeraza mogła replikować się w komórkach ludzkich, musi nabyć pewne mutacje, aby móc używać ludzkiego ANP32”.
Aby lepiej zrozumieć ten proces, Arragain i jego współpracownicy uzyskali strukturę konformacji replikazy i enkapsydazy ludzkiej polimerazy grypy ptaków (ze szczepu H7N9) podczas interakcji z ludzkim ANP32. Ta struktura dostarcza szczegółowych informacji o tym, które aminokwasy są ważne w tworzeniu kompleksu replikacji i które mutacje mogą umożliwić polimerazie grypy ptaków adaptację do komórek ssaków.
Aby uzyskać te wyniki, Arragain przeprowadził eksperymenty in vitro w EMBL Grenoble, wykorzystując Eukaryotic Expression Facility, platformę biofizyczną ISBG i platformę kriomikroskopii elektronowej dostępną w ramach Partnerstwa na rzecz Biologii Strukturalnej. „Współpracowaliśmy również z grupą Naffakh w Instytucie Pasteura, która przeprowadziła eksperymenty komórkowe” — dodał Arragain. „Ponadto uzyskaliśmy strukturę kompleksu replikacyjnego ludzkiej grypy typu B, która jest podobna do kompleksu grypy typu A. Eksperymenty komórkowe potwierdziły nasze dane strukturalne”.
Te nowe spostrzeżenia dotyczące kompleksu replikacji grypy mogą być wykorzystane do badania mutacji polimerazy w innych podobnych szczepach wirusa grypy ptaków. Możliwe jest zatem wykorzystanie struktury uzyskanej ze szczepu H7N9 i dostosowanie jej do innych szczepów, takich jak H5N1.
„Zagrożenie nową pandemią wywołaną przez wysoce patogenne, przystosowane do człowieka szczepy grypy ptaków o wysokiej śmiertelności należy traktować poważnie” — powiedział Stephen Cusack, starszy naukowiec EMBL Grenoble, który kierował badaniem i badał wirusy grypy od 30 lat. „Jedną z kluczowych odpowiedzi na to zagrożenie jest monitorowanie mutacji wirusa w terenie. Znajomość tej struktury pozwala nam interpretować te mutacje i oceniać, czy szczep jest na drodze adaptacji do zarażania i przenoszenia między ssakami”.
Wyniki te są również przydatne w długoterminowej perspektywie rozwoju leków przeciw grypie, ponieważ nie istnieją żadne leki, które celowałyby konkretnie na kompleks replikacyjny. „Ale to dopiero początek” — powiedział Cusack. „Następnym krokiem jest zrozumienie, jak kompleks replikacyjny działa dynamicznie, innymi słowy, poznanie bardziej szczegółowo sposobu, w jaki aktywnie wykonuje replikację”. Grupa przeprowadziła już pomyślnie podobne badania dotyczące roli polimerazy grypy w procesie transkrypcji wirusa.