21.10.2020

Ученые выявили новые гены человека, контролирующие ВИЧ-инфекцию

Ученые из Гладстона идентифицируют новые человеческие гены, контролирующие ВИЧ-инфекцию
                Штатный сотрудник Gladstone Дэвид Гордон и старший следователь Неван Кроган разработали новый подход к выявлению генов человека, которые контролируют ВИЧ-инфекцию. Кредит: Лорен Бэйлесс, Институты Гладстона

Вирусы — это паразиты. Единственный способ, которым они могут расти, — это угон их хозяев. Когда они заражают человека-хозяина, вирусы используют человеческие белки для размножения и модификации человеческих клеток для поддержания инфекции. В то же время, человек-хозяин активирует защитные механизмы для борьбы с инфекцией.
                                                                                       

Большинство современных препаратов против вирусных инфекций нацелены на сам вирус. Но ученые заинтересованы в разработке методов лечения, нацеленных вместо этого на белки-хозяева, или на гены, которые их производят, отчасти потому, что считается, что такие методы лечения с меньшей вероятностью вызывают лекарственную устойчивость. Детальное понимание взаимодействия вирус-хозяин имеет решающее значение для успеха этой стратегии.

Команда ученых из Института Гладстона под руководством старшего исследователя Невана Крогана, доктора философии, занималась каталогизацией белков-хозяев, которые физически связываются с вирусными белками. Эти физические взаимодействия идентифицируют человеческие белки, которые вирус может использовать для заражения клеток и размножения. Однако они не раскрывают, как белки-хозяева работают вместе, чтобы облегчить инфекцию.

Чтобы восполнить этот пробел, Кроган и научный сотрудник Дэвид Гордон с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF), Университетского колледжа в Дублине и Медицинской школы Маунт-Синай разработали новый способ понять, как клетки-хозяева контролируют ВИЧ-инфекцию в клетках человека.

Их подход влечет за собой разрушение генов хозяина, а не белков. Он основан на идее, предложенной Кроганом, что вы получаете более полную информацию о функциях генов — и белков, которые они кодируют, — когда вы отключаете гены попарно, а не по одному. В статье, опубликованной в Molecular Cell, команда описывает карту генов, контролирующих ВИЧ-инфекцию в клетках человека, которую они составили путем оценки более 63 000 комбинаций генов человека, связанных с ВИЧ-инфекцией.

«ВИЧ является серьезной проблемой общественного здравоохранения: около 36,7 миллиона человек живут с хронической инфекцией и более 20,9 миллиона человек получают постоянное лечение», — сказал Кроган, который также является профессором клеточной и молекулярной фармакологии в UCSF, и директор Института количественных биологических наук UCSF. «Изучение влияния разрыва генов в парах, а не один за другим, дает важную информацию о том, как гены работают вместе, чтобы способствовать вирусной инфекции, выделяя процессы, на которые мы можем ориентироваться с помощью лекарств для подавления инфекции».

Карта, которую команда называет картой вирусного эпистазиса (vE-MAP), является важным достижением для исследований в области ВИЧ в нескольких других аспектах. С одной стороны, он раскрывает ранее не подозреваемый набор генов, необходимых для роста вируса в клетках человека. С другой стороны, vE-MAP можно использовать для анализа влияния различных мутантов ВИЧ на клетки-хозяева или для тестирования препаратов, которые нарушают взаимодействие ВИЧ-хозяина.

Сила в цифрах

vE-MAP — это адаптация E-MAP, которую Кроган и его коллеги впервые и усовершенствовали в течение последних 15 лет для определения генов, которые контролируют рост клеток. В основе этого подхода лежит способность лаборатории Крогана разрушать большое количество генов, тестировать их в парах и анализировать результаты с помощью сложных вычислительных методов.

«Принцип, лежащий в основе E-MAP, заключается в том, что когда вы нарушаете два гена одновременно и изучаете воздействие на клетку, вы иногда видите эффекты, которые значительно больше или меньше, чем вы могли бы предсказать из эффекта разрушения одного гена. «сказал Кроган.

Эти неожиданные эффекты предполагают, что функции двух генов связаны между собой. Более того, выполняя эти попарные нарушения в сотнях генов, ученые могут найти группы генов со сходными паттернами взаимодействий, признак того, что они могут участвовать в одном молекулярном процессе.

«Таким образом, вместо того, чтобы находить важные гены по одному, вы все сразу можете идентифицировать множество различных сетей генов, влияющих на изучаемый вами процесс», — сказал Гордон.

Подход E-MAP в основном использовался для изучения роста клеток. Гордону, в сотрудничестве со студентом из Университетского колледжа Дублина, Ариане Уотсон, пришлось модифицировать его для изучения вирусной инфекции. Самым сложным было внедрить сложную систему сбора и оценки данных, которая позволяла им точно измерять ВИЧ-инфекцию на сотнях тысяч образцов и сравнивать влияние парных и одиночных нарушений.

Было бы огромным усилием протестировать все комбинации из более чем 20000 кодирующих белок генов в геноме человека. Вместо этого ученые сосредоточились на генах, уже подозреваемых, чтобы влиять на биологию ВИЧ. В частности, они использовали гены, кодирующие большое количество человеческих белков, которые ранее были обнаружены в лаборатории Крогана для связывания с белками ВИЧ. В общей сложности они включили в свой анализ более 350 генов и протестировали более 63 000 парных нарушений.

Новые игроки в интерфейсе хоста ВИЧ

Хотя ВИЧ является одним из наиболее изученных вирусов человека и в настоящее время хорошо контролируется антиретровирусной терапией, от ВИЧ/СПИДа не существует лекарства. Кроме того, антиретровирусная терапия является дорогостоящей, что может сделать ее непрактичной в странах с ограниченными ресурсами. Поэтому поиск новых способов остановить или искоренить вирус все еще остается приоритетом.

Среди генов, которые выделялись в vE-MAP, было несколько членов семейства CNOT, чья роль в биологии ВИЧ никогда ранее не была установлена. Авторы продемонстрировали, что комплекс CNOT способствует ВИЧ-инфекции, подавляя врожденный иммунитет в CD4 + T-клетках, тип иммунных клеток, на которые ВИЧ преимущественно нацеливается у людей. Врожденный иммунитет — это защитный механизм, с помощью которого клетки-хозяева могут бороться с инфекцией.

«Влияние CNOT на врожденный иммунитет — это ключевой, но еще не признанный ранее путь хозяина, критический для ВИЧ-инфекции. Он станет потенциальной новой терапевтической мишенью в будущих исследованиях», — сказал Кроган.

Например, ученые теперь могут изучать, может ли нацеливание комплекса CNOT с помощью лекарств помочь пациентам с ВИЧ более эффективно бороться с инфекцией.

Кроме того, vE-MAP обнаружил гены, которые оказывали небольшое влияние при индивидуальном нарушении, но оказывали большое влияние при совместном тестировании.

«Эти гены будут игнорироваться в классических экспериментах по разрушению одного гена», — сказал Гордон. «Они подтверждают потенциал vE-MAP для выявления новых механизмов взаимодействия ВИЧ с клетками человека».

Комбинирование лекарств, нацеленных на два из этих генов одновременно, может, таким образом, стать многообещающей терапевтической стратегией, особенно для вируса, такого как ВИЧ/СПИД, который разработал несколько способов использования ресурсов своих хозяев.

vE-MAP также был способен подбирать гены, которые специфически взаимодействуют с известным мутантом ВИЧ. Это наблюдение хорошо предвещает способность vE-MAP идентифицировать различные факторы хозяина, влияющие на различные формы ВИЧ, или вирусные мутанты, возникающие в ответ на доступные в настоящее время лекарства.

Дополнительное тестирование с помощью препарата, который, как известно, влияет на ВИЧ-ассоциированные человеческие белки, дает авторам уверенность в том, что их подход vE-MAP в будущем может быть использован для скрининга новых анти-ВИЧ-препаратов и понимания способа их действия .

«Этот vE-MAP предоставляет беспрецедентное представление о том, как ВИЧ захватывает и перестраивает клеточные механизмы в клетках человека во время инфекции», — сказал Кроган. «Это создаст много новых идей и возможностей для выявления и тестирования новых методов лечения».

И преимущества не могут быть ограничены исследованиями в области ВИЧ.

«Наша работа является доказательством того, что подход vE-MAP является мощным средством для определения взаимосвязи между ВИЧ и клетками человека и выявления новых терапевтических возможностей», — сказал Гордон. «Теперь мы с нетерпением ждем возможности протестировать его на других патогенах».

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *