Коронавирус SARS-CoV-2: научно достоверная 3D модель
Дата:
12.05.2020
3D-модель коронавируса SARS-CoV-2
  • Поделиться

В студии биомедицинской визуализации Visual Science создана наиболее детальная и научно достоверная трехмерная модель вируса SARS-CoV-2 в атомном разрешении. Модель основана на современных научных данных о строении коронавирусов, а также комментариях ведущих вирусологов, занимающихся изучением этой группы вирусов. Это наиболее достоверная модель из представленных на данный момент. При ее создании в Visual Science были использованы подходы и методы, применяемые в фундаментальных и прикладных научных исследованиях.

Модель SARS-CoV-2 является частью некоммерческого проекта студии Visual Science Зоопарк вирусов, в рамках которого уже созданы модели ВИЧ, гриппа A/H1N1, вируса Эбола, вируса папилломы человека и вируса Зика.

Модели и визуализации, созданные в рамках Зоопарка вирусов, отмечены призами журнала Science и Национального научного фонда США, и были опубликованы в ведущих медиа, среди которых Science, Nature Medicine, The New York Times, The Washington Post, Scientific American, Wired UK, Der Spiegel, Stern, National Geographic, GEO и другие.

В свойственном им завораживающем стиле, талантливые иллюстраторы из Visual Science создали модель вирусной частицы SARS-CoV-2. В мельчайших деталях она демонстрирует зрелую частицу с поверхностными белками, встроенными в мембрану. Вид со срезом показывает нуклеокапсид внутри частицы. Эти великолепные изображения позволяют лучше понять организацию вируса, а для неспециалистов, сделать вирус, инфецирующий миллионы людей, практически осязаемым.

— Винсент Раканиелло, Хиггинсовский профессор Департамента Микробиологии и Иммунологии Колумбийского университета, Нью-Йорк.

Отличная работа с поверхностными белками и иллюстрациями! По-настоящему хорошо сделано. Поверхностные выросты показаны настолько аккуратно, насколько это в принципе возможно, опираясь на современные данные. Изображения великолепны.

— Джейсон МакЛиллан, профессор, Департамент биомолекулярных наук Университета Техаса в Остине

Ого, это по-настоящему здорово. Мне нравится вариант, когда частица открыта, и видно РНП — новая любимая модель SARS-CoV-2.

— Бенджамин Ньюман, профессор, глава Отдела биологических наук Техасского механико-агрикультурного университета Тексаркана

Модель была построена на основании предположений, происходящих из всех доступных на данный момент сведений. Это хорошая модель. Тем не менее, надо иметь в виду, что исходные структуры С-концевых участков нуклеокапсида были получены без РНК. Присоединение РНК, вероятно, еще компактизует структуру, благодаря сильным РНК-белковым взаимодействиям.

— Профессор Тай-хуанг Хуанг, заслуженный научный сотрудник Отделения структурной биологии Института биомедицинских наук Академии Синика, Нанканг, Тайпей

Строение коронавируса SARS-CoV-2

Вирионы коронавирусов имеют грубо сферическую или овальную форму. Второй вариант преобладает, а диаметры частиц могут варьироваться в пределах от 50 до 150 нанометров [23, 24]. Морфология вируса в нашей модели основана на данных о форме родственного вируса SARS-CoV, полученных с помощью электронной микроскопии [25, 26].

Поверхностные белки

На поверхности вирусной частицы располагаются выросты, которыми вирус взаимодействует с заражаемой клеткой, запуская инфекцию. Каждый такой вырост состоит из трех одинаковых белков S. Эти белки разделены на три части: S1 на самом верху взаимодействует с рецептором клетки, а S2 и S2′ запускают процесс слияния вирусной мембраны с клеточной.

  • Поверхностные белки вируса SARS-CoV-2

  • Поверхностные белки вируса SARS-CoV-2

Дэниелом Враппом и соавторами из группы Джейсона МакЛиллана была опубликована структура поверхностного белкового комплекса SARS-CoV-2 полученная методами криоэлектронной микроскопии. Структура демонстрирует не весь комплекс и содержит только верхние его части [27]. Полная модель должна также включать «стебель», на котором располагаются поверхностные домены, трансмембранный и внутренний участки.

Согласно авторам, фрагмент поверхностного белка, непосредственно связывающийся с рецептором, расположен на своего рода шарнирной структуре, и способен отгибаться вверх для осуществления этого взаимодействия. Наша модель показывает оба состояния, равно как и промежуточные состояния.

Поверхностные белки сильно гликозилированы, что помогает вирусу скрываться от защитных систем организма, однако конкретные сайты и степень гликозилирования пока являются предметом дискуссии [28].

Поверхностные белки не только имеют трансмембранные участки, они также дополнительно закреплены в мембране с внутренней стороны частицы при помощи присоединенных остатков пальмитиновой кислоты, что показано в модели [29, 30].

Средний коронавирусный вирион содержит порядка 90 поверхностных белковых комплексов [24].

Белки матрикса

Белок матрикса, или мембранный белок (М), играет ключевую роль в сборке вируса, поскольку привлекает все остальные элементы к месту сборки. Он образует димеры, которые существуют в двух формах — длинной и компактной. Оба варианта помещены в мембрану [31].

Компактные димеры М, вероятно, отличаются от длинных наличием дополнительной спирали, погруженной во внутренний слой мембраны. Когда этот участок из мембраны удаляется, соседние фосфолипиды занимают место белковой спирали, вследствие чего мембрана меняет кривизну, и начинается процесс почкования вируса [32, 33].

Белки М взаимодействуют друг с другом, с другими компонентами и с мембраной, которую вирус захватывает из зараженной клетки, в которой образуется. В результате формируется вирусная оболочка. Расстояние между димерами М-белков составляет порядка 3-4 нанометров. Длинные формы белка также взаимодействуют с нуклеокапсидом вируса, чтобы упаковать его в частицу.

Наружные части М-белков имеют сайты гликозилирования. Всего в одном вирионе находится порядка 500 димеров белка, большинство из которых представлено длинной формой [31].

Белок оболочки

Белок оболочки Е представлен малым числом копий. Он формирует пентамерные ионные каналы, которые нарушают строение клеточных мембран в ходе почкования вирусов [34].

Е-белки взаимодействуют с М и N белками в ходе сборки вируса, также как и с неструктурными вирусными белками 3а и 7а. Е-белки могут быть пальмитоилированы. Всего на целый вирион приходится несколько копий этого белка (24).

Нуклеокапсид и упаковка генома

Нуклеокапсидные белки упаковывают вирусную РНК и играют фундаментальную роль в сборке вирусной частицы. Структура нуклеокапсида коронавирусов в настоящее время описана не во всех деталях. Наша модель демонстрирует одну из возможных упаковок, при создании которой мы старались учесть максимальное число известных данных.

  • Срез мембраны вируса. Фрагмент нуклеокапсида SARS-CoV-2. Белок оболочки вируса.

  • Срез мембраны вируса. Фрагмент нуклеокапсида SARS-CoV-2. Белок оболочки вируса.

  • Срез мембраны вируса. Фрагмент нуклеокапсида SARS-CoV-2. Белок оболочки вируса.

Нуклеокапсидный белок коронавирусов содержит несколько участков с высоким уровнем внутренней неупорядоченности. В белке можно выделить два глобулярных домена: С-концевой и N-концевой, а также линкер между ними, отдельные неупорядоченные петли и хвосты [35].

Среди полученных на данный момент методами криоэлектронной микроскопии и кристаллографии сведений о строении нуклеокапсида коронавирусов, можно выделить следующие:

  • — С-концевые домены формируют димеры из прочно связанных мономеров, димеризация N-концевых доменов достоверно не показана для растворов [36];
  • — Оба глобулярных домена могут взаимодействовать с РНК;
  • — Внутри вирионов элементы нуклеокапсида связаны в некую цепь или спираль толщиной порядка 15 нанометров [37]. Нуклеокапсид занимает не весь объем частицы, самый центр часто им не заполнен [24];
  • — Олигомеризация нуклеокапсидных белков с более высокой вероятностью осуществляется в основном через С-концевые домены;
  • — Непосредственно под вирусной оболочкой нуклеокапсидные белки взаимодействуют своими гибкими С-концевыми участками с С-концевыми участками матрикса [24];
  • — Не вся РНК вируса может быть связана с нуклеокапсидными белками.

Белки клетки-хозяина и неструктурные белки вируса

Исследования SARS-CoV показывают, что в вирионы могут попадать не только основные структурные белки S, M, N и E, но также и белки из клетки-хозяина или неструктурные и регуляторные белки вируса, которые обычно нужны для того, чтобы организовывать синтез компонентов новых частиц [24]. Часть таких элементов включена в модель для иллюстрации данной особенности.

Неструктурный белок 3

Неструктурный белок 3 — это крупный мультидоменные белок, кодируемый вирусным геномом. Он имеет РНК-связывающую и пептидазную активности. Считается, что он может выполнять роль хаба, взаимодействующего со множеством других вирусных компонентов [38].

Циклофилин A (Пептидил-пролил цис-транс изомераза А)

Белки этой группы способствуют пространственному сворачиванию белков. Циклофилин А катализирует цис-транс изомеризацию иминокислоты пролина в составе белков. Показано, что человеческий циклофилин может взаимодействовать с нуклеокапсидом коронавирусов [39].

Актин

Актин — это очень распространенный в цитоплазме белок. По этой причине он часто обнаруживается в вирусных частицах, вместе с другими структурными белками [38].

Белок теплового шока 90-альфа

Белки теплового шока часто и в больших количествах встречаются в цитоплазме клеток, особенно если клетки подвержены стрессу. БТШ способствуют созреванию и правильной укладке многих других белков, в том числе вирусных, поэтому часто могут обнаруживаться в вирусных частицах [38].

Протеинкиназа CK2

Нуклеокапсидные белки коронавирусов фосфорилируется киназами клетки-хозяина. Это может приводить к тому, что киназы упаковываются в частицы [39].

Процесс моделирования

Поверхностный белок

При моделировании была взята за основу структура 6VSB из базы Protein Data Bank. К ней были добавлены внутренние домены белка, трансмембранная часть и «стебель» из трех переплетенных альфа-спиралей, принадлежащих к разным мономерам в составе тримера. Также были добавлены короткие подвижные цепи, не присутствующие в исходной структуре, полученной методом криоэлектронной микроскопии.

Есть порядка 60 аминокислотных остатков, которые, по-видимому, формируют тройную спираль до трансмембранного участка, который начинается на 1208 аминокислоте.

— Джейсон МакЛиллан, профессор, Департамент биомолекулярных наук Университета Техаса в Остине

В модель включены разные варианты поверхностных белковых комплексов, отличающиеся положением домена, связывающегося с рецептором. Большинство комплексов имеет один домен в отогнутом состоянии, согласно литературным данным.

На данный момент мы знаем, что большинство поверхностных белков имеют один рецептор-связывающий домен отогнутым, хотя угол, вероятно, варьируется.

— Джейсон МакЛиллан, профессор, Департамент биомолекулярных наук Университета Техаса в Остине

Гликозилирование воспроизведено частично по структуре 6VSB, а частично с использованием сервера Glyprot. Цистеиновый остаток в позиции 1241 в каждом мономере пальмитоилирован.

Белок матрикса

Модели белков матрикса были получены de novo с использованием сервера I-TASSER. Вероятные димерные формы были отобраны на основе проведенного молекулярного докинга с укороченными формами М-мономеров, после чего в модели были добавлены недостающие фрагменты. Модели длинной и компактной форм М-белка были сделаны с использованием разных положений предположительной амфипатической альфа-спирали. N-концевые участки белков были гликозилированы по аспарагину в позиции 5 при помощи сервера Glyprot.

Нам известно, что концевые участки М-белков контактируют с нуклеокапсидом, и это наблюдается в 4-5 нанометрах от внутренней стороны мембраны.

— Бенджамин Ньюман, профессор, глава Отдела биологических наук Техасского механико-агрикультурного университета Тексаркана

В модели компактные формы белка расположены только в более цилиндрической части вириона, тогда как длинные формы, ассоциированные с большей кривизной мембраны, располагаются по всей поверхности, концентрируясь на полюсах частицы.

Белок оболочки

Модель для Е-белка SARS-Co-V2 была получена при помощи гомологичного моделирования на основе доступных структур аналогичных белков родственных коронавирусов с применением I-Tasser 5.0, Pymol, i3DRefine и Gromacs.

Нуклеокапсид

Были использованы доступные в базах структуры для отдельных нуклеокапсидных доменов родственных вирусов и непосредственно SARS-Co-V2. Для определения возможных вариантов взаимного расположения этих доменов проводился молекулярных докинг. После взаимного расположения глобулярных доменов был проведен докинг подвижного фрагмента РНК, чтобы определить вероятные места связывания генома с белками. После этого были добавлены линкер и подвижные концевые участки.

В центре структуры расположены тетрамеры из димеров С-концевых участков, аналогично тому, как демонстрируется в структуре 2CJR из Protein Data Bank. N-концевые домены нуклеокапсидного белка фиксируют РНК по периферии. Подвижные С-концевые участки направлены наружу от центральной части олигомерной структуры.

Белки клетки-хозяина и неструктурные белки вируса

Для добавления этих элементов были взяты готовые структуры из баз ModBase, PDB, а также сайта Zhang Lab [40].

О других характеристиках вируса подробнее читайте в разделе с научной анимацией SARS-CoV-2.

Показать ссылки
  • Руководитель проекта:
    Иван Константинов
  • Координатор проекта, научный консультант:
    Юрий Стефанов, к.б.н.
  • Обзор литературы
    Анна Зырина, к.б.н., Юрий Стефанов, к.б.н.
  • Молекулярное моделирование:
    Дмитрий Щербинин, к.б.н., Анастасия Бакулина, к.б.н., Марина Пак
  • 3D-моделирование:
    Максим Кулемза
  • Анимация:
    Юрий Стефанов
  • Супервайзер анимации:
    Сергей Иванчук
  • Дизайн:
    Елизавета Орешкина
  • Звук:
    Bad Zu Студия sounds like a plan
  • Менеджеры проекта:
    Иван Константинов, Юрий Стефанов

Мы выражаем большую признательность Бенджамину Ньюману, профессору, главе Отдела биологических наук Техасского механико-агрикультурного университета Тексаркана, Тай-хуанг Хуангу, заслуженному научному сотруднику Отделения структурной биологии Института биомедицинских наук Академии Синика, Нанканг, Тайпей, и Джейсону МакЛиллану, профессору Департамента биомолекулярных наук Университета Техаса в Остине, авторам множества научных работ о структуре и биологии коронавирусов и вирусных белков, за рекомендации и полезную дискуссию о разных аспектах строения вириона SARS-CoV-2 и упаковки его генома.