Virology: Ученые создали белок рецептора COVID в клетках мыши

Группа ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Колумбийского университета продемонстрировала способ получения большого количества рецептора, с которым связывается вирус SARS-CoV-2, вызывающий COVID-19, на поверхности человеческих клеток.

Это связывание знаменитого вирусного белка-шипа с человеческим рецептором ACE2 является первым этапом заражения вирусом. Создание функционального человеческого белка ACE2 в клетках мыши дает ученым новый способ изучить эти рецепторы и потенциально применить их на практике. Кроме того, как говорится в статье, опубликованной в журнале Virology, этот метод может облегчить изучение других сложных белков, которые оказалось трудно получить другими способами.

Первоначальной целью брукхейвенских ученых в начале пандемии было получение большого количества человеческого ACE2, а затем прикрепление этого белка к наночастицам. Затем наночастицы с покрытием ACE2 можно было бы испытать в качестве антивирусной терапии и/или сенсоров для обнаружения вирусных частиц.

Для любого из этих применений необходимо большое количество белка, причем белок должен быть полностью функциональным, — говорит вирусолог из Брукхейвенской лаборатории Пол Фреймут (Paul Freimuth), который руководил исследованием в сотрудничестве с учеными из Центра функциональных наноматериалов Брукхейвенской лаборатории (CFN).

Но создание функциональных мембранных белков, таких как ACE2, является особенно сложной задачей, поскольку процесс локализации белков в клеточной мембране является сложным.

Одна из причин заключается в том, что эти белки подвергаются различным модификациям после их синтеза и до того, как они встраиваются в клеточную мембрану. В частности, молекулы углеводов, добавляемые к белкам, играют ключевую роль в том, как длинная белковая цепь сворачивается в конечную 3D-структуру и как белок функционирует в мембране.

Углеводы составляют около трети массы белка ACE2, — говорит Фреймут.

Простейшие клетки, которые ученые используют для искусственного создания белков, а именно бактерии, не имеют ферментов для присоединения этих углеводных добавок. Поэтому брукхейвенская команда обратилась к клеткам мышей, которые, будучи млекопитающими, больше похожи на нас и, следовательно, способны выполнять ту же самую обработку углеводов. Мышиные клетки известны тем, что умеют подхватывать и экспрессировать «чужие» гены. И хотя мышиные клетки также производят рецептор ACE2, мышиная версия этого белка не связывается с шипом SARS-CoV-2. Это означает, что ученые могли бы легко проверить, производят ли мышиные клетки человеческий белок ACE2, посмотрев, связываются ли шипы с клетками.

Поиск и экспрессия гена ACE2

Чтобы увеличить шансы на то, что клетки мыши правильно встроят и прочитают человеческий ген ACE2, группа использовала неповрежденный ген. Гены человека и других «высших организмов» содержат много информации в дополнение к последовательности ДНК, которая кодирует строительные блоки аминокислот, составляющие белок. Эта дополнительная информация помогает регулировать структуру и функционирование генов в хромосомах клетки.

Ученые исследовали библиотеки клонированных фрагментов ДНК, созданных в рамках проекта «Геном человека» — финансируемого Министерством энергетики США проекта по определению местоположения всех генов, которые делают нас людьми, — и нашли фрагмент, содержащий неповрежденный ген ACE2 со встроенной в него регуляторной информацией. Затем они подвергли клетки мышей воздействию наночастиц, покрытых этим фрагментом ДНК, а также геном другого белка, который делает клетки устойчивыми к смертельному антибиотику.

В данном случае наночастицы служат агентом доставки ДНК, который захватывается клетками, чтобы ДНК могла интегрироваться в хромосомы мышиных клеток, — говорит Фреймут.

Чтобы найти клетки, которые приняли чужеродный ген (гены), мы добавляем антибиотик в клеточные культуры. Клетки, которые не смогли принять и экспрессировать ген устойчивости к антибиотику, погибли, в то время как те, которые приобрели устойчивость к антибиотику, выжили и выросли в колонии.

Ученые разделили около 50 таких колоний на отдельные культуры, а затем протестировали их, чтобы определить, сколько из них также восприняли человеческий ген ACE2 и произвели человеческий рецепторный белок.

Обнаружение производства белка

Около 70% устойчивых к антибиотикам колоний экспрессировали человеческий белок ACE2 на поверхности клеток, — сказал Фреймут.

Дальнейший анализ показал, что эти колонии содержали в среднем 28 копий человеческого гена ACE2.

Важно отметить, что мышиные клетки удерживали «чужие» копии гена ACE2 и продолжали производить человеческий белок ACE2, кодируемый этими генами, на протяжении как минимум 90 клеточных поколений.

Уровень продуцируемого клетками человеческого белка ACE2 в целом был пропорционален количеству копий гена ACE2, интегрированных в геном мыши. Некоторые клоны мышиных клеток вырабатывали в 50 раз больше ACE2, чем обычно присутствует в мышиных клетках.

Ученые использовали различные методы, чтобы проверить, насколько функциональны человеческие белки ACE2, созданные на основе мыши. В частности, они продемонстрировали, что «псевдовирус», содержащий белок COVID spike, то есть непатогенный аналог SARS-CoV-2, может связываться с рецепторами и заражать клетки.

Анализы инфекционности показали, что человеческий белок ACE2, экспрессированный на этих мышиных клетках, полностью функционален, — сказал Фреймут.

Применение и последствия

Тем временем Олег Ганг и Фейюэ Тенг, соавторы исследования из CFN, изучают различные способы создания внеклеточных нановезикул, обогащенных ложным человеческим ACE2, для потенциального лечения COVID-19. Они также изучают возможность размещения белков ACE2 на наночастицах для потенциального применения в лечении инфекций или быстрого обнаружения вирусов.

Задача нановезикул на основе ACE2 заключается в усилении их нейтрализующего действия против SARS-CoV-2. Мы также ищем способы повысить чувствительность и специфичность связывания наночастиц, связанных с ACE2, чтобы сделать их полезными для диагностики вирусов. Оба подхода потребуют дальнейшей оптимизации, — говорит Тенг, научный сотрудник CFN, который много работал как над биологическими аспектами этого исследования, так и над потенциальными приложениями на основе нанонауки.

«Мы рады объединить достижения в области изготовления наноматериалов с биомолекулярными подходами для разработки новых терапевтических и сенсорных стратегий», — говорит Ганг, работающий в Колумбийском университете. „Это исследование позволило нам преодолеть некоторые методологические проблемы, поскольку наноматериалы и биосистемы требуют совершенно разных подходов к определению характеристик. То, что мы здесь узнали, важно для наших следующих шагов по совершенствованию биосенсинга на основе наночастиц“.

Помимо возможности применения рекомбинантного белка ACE2, работа также демонстрирует новый подход к получению широкого спектра сложных белков. В качестве примера можно привести огромное количество рецепторов клеточной поверхности, которые опосредуют бесчисленные биологические и болезненные процессы, а также промышленно важные белки, такие как моноклональные антитела и ферменты.

Наш метод использования неповрежденных генов вместе с клетками мыши, которые могут быть адаптированы для выращивания в огромных суспензионных культурах, подобных жидким бульонным культурам, используемым для выращивания бактерий, может способствовать крупномасштабному производству этих и других важных белков, — заключает Фреймут.

22.01.2024


Подписаться в Telegram



Здоровье

eLife: Смертоносная бактерия-вампир жаждет человеческой крови
eLife: Смертоносная бактерия-вампир жаждет человеческой крови

Одни из самых смертоносных бактерий в&nbs...

New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз

По данным нового крупного исследования, провед...

JAMA: Скрининг PSA незначительно влияет на смертность от рака простаты
JAMA: Скрининг PSA незначительно влияет на смертность от рака простаты

Крупнейшее на сегодняшний день исследован...

Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо

Используя современные методы тканевой инженери...

Frontiers in Allergy: Собаки способны учуять стресс по запаху дыхания человека
Frontiers in Allergy: Собаки способны учуять стресс по запаху дыхания человека

Чуткие носы собак способны распознать ранние п...

Cancer: Риск развития рака зависит от метаболического синдрома
Cancer: Риск развития рака зависит от метаболического синдрома

Новое исследование показывает, что люди с...

Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста

Мигрирующие нейроны обладают конусом роста, ко...

Cell: Открыта новая роль нейтрофилов в борьбе с раком
Cell: Открыта новая роль нейтрофилов в борьбе с раком

В исследовании, опубликованном в журнале ...

IEEE: Экзоскелет поможет перенесшим инсульт вернуться к нормальной жизни
IEEE: Экзоскелет поможет перенесшим инсульт вернуться к нормальной жизни

Портативное роботизированное устройство, котор...

NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний

Новое исследование, проведенное группой ученых...

Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть

Основываясь на десятилетних наблюдениях з...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад
ACS Nano: Зубы нутрий и бобров помогут ученым вывести формулу совершенной эмали
ACS Nano: Зубы нутрий и бобров помогут ученым вывести формулу совершенной эмали
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса