Молекулын динамик симуляцийн аргыг ашиглан COVID-19 өвчинтэй тэмцэх нь

Нийтлэсэн Б Билгүүн
2022-02-08
668

Pablo R. Arantes, Aakash Saha, Giulia Palerm

Молекулын динамик симуляцийн аргыг ашиглан SARS-CoV-2 вирусын спайк уурагт нөлөөлж болохуйц дархлааны зорилтот байг илрүүлж, вакцины хөгжүүлэлтэд шинэ стратегиудыг дэвшүүлж байна.

SARS-CoV-2 корона вирусын эсрэг тэмцэл нь дэлхийн даяар өрнөж, олон cая хүний амь насанд хүрсэн өнөөгийн дэлхийн хэмжээний цар тахлын гол төвлөрсөн цэг болоод байна. Шинжлэх ухааны нийгэмлэгүүд COVID-19 цар тахлын эсрэг шийдэл олох, SARS-CoV-2 вирусын эсрэг үр дүнтэй вакцин хөгжүүлэхийн тулд урьд өмнө үзэгдээгүй хүчин чармайлтаар хамтран ажиллаж байна. Энэхүү хамтын ажиллагаанд молекулуудын маш том системийн хөдөлгөөнийг тооцоолохын тулд Амаро лаборатори молекулын динамик симуляцийг гүйцэтгэхэд 1 өдрийн хугацааг зарцуулсан бөгөөд вакцины хөгжүүлэлтэд стратеги болж буй бүтцийн загварт үсрэнгүй дэвшлийг авчирсан байна.¹

SARS-CoV, SARS-CoV-2 гэх мэт корона вирус нь ихээр гликозилжсан спайк уургийн тусламжтайгаар эзэн эсэд нэвтэрч ордог байна. Энэхүү гомотример спайк уургийн мономер нь толгой, хөл, цитоплазмын сүүл гэсэн гурван хэсэгт хуваагдаж болох хоёр дэд домеиныг (S1, S2) агуулдаг (Зураг 1А).² S1 дэд домеин нь N –төгсгөлийн домеин (NTD) болон рецептортай холбогдогч домеинаас (RBD) бүрддэг бөгөөд ангиотензин хувиргагч энзим 2 (ACE2) уурагтай харилцан үйлчилдэг тул эсийн трофизм хариуцдаг рецептортай холбогдогч мотифыг (RBM) агуулдаг. RBM болон ACE2 хоорондын энэхүү харилцан үйлчлэл нь SARS-CoV-2 вирусын халдвараас COVID-19 өвчин үүсэх процесс дахь гол үе шат юм.³ Туршлагын судалгаагаар SARS-CoV-2 вирусын спайк уургийн D614G мутаци нь S1 болон S2 дэд домеины хуваагдлаас үүдэн S1 уургийн гликаны халхлалтыг бууруулж вирусын халдварлах чанарыг нэмэгдүүлдэг болохыг харуулсан байна.⁴ Энэ нь S1 домеиныг халдварын гол цөм харин түүний гадаргуу нь вакцин болон эмчилгээний агентын хөгжүүлэлтийн зорилтот бай болохыг харуулсан байна. Бусад төрлийн вирусын спайк уургийн нэгэн адил SARS-CoV-2 вирусын спайк уураг нь “гликан халхавч” гэж нэрлэдэг сахарын бүрхүүлээр хучигдсан байдаг. Уг спайк уургийн мономер тус бүр нь 22 гликаны молекулаар хучигддаг (Зураг 1B) байна.⁵ SARS-CoV-2 вирусын спайк уургийн гликан халхавчийг HIV-I вирусын Evn уургийнхтай харьцуулах нь үр дүнгүй боловч эзэн эсийн дархлааны хариу үйлдлээс зайлс хийхийн тулд адилхан хучилтын стратегийг ашигладаг болохыг харуулж байна.

ACS Central Science сэтгүүлийн нэгэн дугаарт Амаро лаборатори бодитой мембран- усан орчин дахь SARS-CoV-2 вирусын спайк уургийн загварын бүх атомын хөдөлгөөнийг тооцоолсон молекулын динамик симуляцийн үр дүнг танилцуулсан байна.¹ Ойролцоогоор 1.7 сая атомыг агуулсан энэхүү системийг Техасын дэвшилтэт тооцооллын төв дахь сүүлийн үеийн Frontera компьютерийн хүчин чадлыг нэмэгдүүлэх замаар олон микро секундийн хугацаанд загварчилсан байна.¹ Уг тооцоолох төвийг АНУ –ийн Үндэсний Шинжлэх Ухааны Сангаас байгуулсан. Молекулын динамик симуляцийг нээлттэй (RBD –ийг дээшээ дэлгэгдсэн нэг компормаци) болон хаалттай (RBD –ийг доошоо хумигдсан гурван конфортаци) гэсэн спайк уургийн хоёр конформаци дээр явуулсан байна. Энэ нь аспарагинтай (N) холбогдсон хоёр гликан (N165, N234) нь спайк уургийг халхлахаас гадна RBD –ний конформацийн динамикийг өөрчлөхөд бүтцийн үүрэг гүйцэтгэдэг болохыг харуулсан байна (Зураг 2А). NTD –ний стратегийн байрлалд орших эдгээр гликан нь уг вирусыг эзэн эсэд нэвтрүүлэхийн тулд нээлттэй төлөв дахь хөрш зэргэлдээ RBD –уудийг бүрхэн хучиж байгааг тодорхойлсон байна. Эдгээр N- гликаны нөлөөллийг шалгаж үзэхийн тулд нээлттэй спайк уургийн хоёр мутантыг үүсгэж молекулын динамик симуляцийг явуулсан байна. Симуляцын үр дүнд нээлттэй төлөв дахь RBD –ны тогтворжилт нь 165, 234 дугаар аспарагиныг аланинаар солисоноор аспарагинтай холбогдож байсан гликанууд алдагдсаны улмаас мэдэгдэхүйц унасан байна. Эдгээр ажиглалт нь McLellan лабораторийг биодавхаргын интерферометрын туршилтыг гүйцэтгэхэд түлхэц өгсөн бөгөөд спайк уураг болон ACE2 уураг хоорондын холбогдох байдлыг спайк уургийн N165A, N234A мутаци тус бүр ~10%, ~40% -аар бууруулж байгааг харуулсан байна (Зураг 2В). Эдгээр чухал мэдээлэл нь вакцины хөгжүүлэлтийн стратегиар SARS-CoV-2 –ийн спайк уургийн гликозиляцын өөрчлөлтийг дөрөөлж RBD –ний конформацийн уян хатан чанарыг хянах боломжтой аргыг дэвшүүлсэн байна.

Зураг 1. (A) Нээлттэй конформацтай спайк уургийн бүрэн дараалалтай загварын гурван хэмжээст бүтэц. Амора лаборатори PBD ID: 6VSB өгөгдөл дээр суурилан энэ загварыг хөгжүүлсэн. Уургийн домеин тус бүрийг өөр өөр өнгө ашиглан тодруулж, уургийг туузан хэлбэртэй харуулав. Рецептортой холбогдогч домеиныг молекулын гадаргуугаар харуулав. (B) Гликолижсан спайк уургийг бодит мембраны орчинд байрласан бүтэц. Бүтцийн бүх загварыг энэ холбоосоор https://amarolab.ucsd.edu/covid19.php хандан татаж авч болно.

Бүрэн гликазилжсан спайк уургийн загварыг өмнө нь Woo болон түүний хамтрагчид санал болгож⁶ байсан ч гликаны динамик, гүйцэтгэх үүргийг бүрэн тодорхойлоогүй байсан. Амаро лаборатори болон түүний хамтрагч судлаачид саяхан хэвлэгдсэн өгүүлэлдээ нано секундээс микро секундийн хугацааны завсар дахь спайк уураг орчмын гликан халхавчны ерөнхий мэдээллүүдийг бүрэн харуулсан байна.¹ Сонирхолтой нь спайк уургийн глканаар хамгийн их хучигддаг хэсэг нь хөл бөгөөд бараг ~90% нь хучигдсан байна. Гэхдээ спайк уургийн толгойн хэсгийг гликан нэлээд бага (~68%) халхалсан байснаас гадна нээлттэй төлөвийг хаалттай төлөвтэй харьцуулахад RBD -ийг гликан нэлээд бага халхалсан байсан байна. Иймд спайк уургийн гликаны халхавчны хэврэг байдлыг илрүүлж, SARS-CoV-2 –ийн үндсэн молекул механизмын сул талыг тодорхойлсноор COVID-19 өвчний эсрэг тэмцэх анхны хариу арга хэмжээг олж өгсөн энэхүү судалгаа нь уг вирусын эсрэг шинэ эм, шинэ вакцинийг хөгжүүлэх арга замыг хөнгөвчилж болохуйц өмнө мэдэгдээгүй мэдээллүүдийг өгсөн.¹

Зураг 2. (A) Нээлттэй конформаци дахь тогтвортой байгаа А гинжний RBD –ний N165, N234 аспарагинд N – гиликаны бүтцийн үүрэг. (B) Спайк уурагтай холбогдсон ACE2 –ийн биодавхрагын интерферометрийн хэмжилтийн хувьд холбоосны хариу урвал.

Вакцины хэрэгцээ нэн чухал байгаа энэ эгзэгтэй цаг үед молекулын динамик симуляцийн арга нь SARS-CoV-2 вирусын механик харилцан үйлчлэлийг атомын түвшний нарийвчлалтайгаар тайлбарлах боломжийг олгож байна. Амаро лаб болон түүний хамтрагч судлаачдын харуулсан тооцооллын үр дүнг туршлагаар баталгаажуулах нь эмчилгээний агент, вакцины хөгжүүлэлтийг урагшлуулахад нэн чухал үүрэгтэй. Крио электрон микроскоп (крио ЭМ) болон молекулын динамик симуляцийг ашигласан сүүлийн үеийн судалгаагаар скайк уургийн хөлийн хэсэг нь шаламгай хөдлөх боломжийг олгодог гурван гогцоог (hinge) агуулдаг.⁷ Гликазилжсан спайк уурагтай вирусын мембраны хэсгийн хөдөлгөөнийг тооцоолсон молекулын динамик симуляцийн үр дүн нь мөн статик бүтцээс хүлээгдэж байгаа хэмжээнээс том бүтцийг халхалж, динамикаар илрүүлж болох уян хатан гликаны бүрхүүл байгааг харуулсан байна. SARS-CoV-2 вирусын RBD -ийг ACE2 –тэй холбогдох ээдрээтэй байдал дээр төвлөрсөн дараагийн молекулын динамик симуляцийн оролдлого нь тус уургуудын харилцан үйлчлэлийг шийдвэрлэх гидрофоб муж болон устөрөгчийн холбоосны байрлалуудыг илрүүлсэн байна.⁹ Ки болон түүний хамтрагчид крио-ЭМ, томограф ашигласан SARS-CoV-2 –ийн гэмтээгүй вирионы загварыг гарган авсан байна.¹⁰ Мэдээллийн энэхүү гайхалтай ололтын хүчинд туршлага болон атомын түвшний компьютер загварчлал хоорондын хамтын хүчин чармайлт нь бүтэн вирионы хэмжээнд бүх атомын хувьд молекулын динамик симуляцийг гүйцэтгэх боломжийг олгож байна. Энэ төрлийн судалгаа нь илүү бодитой өгөгдлийг ашиглах замаар өнөөгийн дэлхийн цар тахалтай тэмцэхэд туслаад зогсохгүй “эсийг загварчлах” мөрөөдөл руу хөтлөх чухал алхам юм.

Нэгтгэн дүгнэж хэлэхэд хүний амьдралд бэрхшээл болоод зогсохгүй физиологийн төлөв байдал, эдийн засагт сөргөөр нөлөөлж буй SARS-CoV-2 корона вирусын хоруу чанарт голлох үүрэг гүйцэтгэж байгаа молеуклын тодорхойлогч зүйлүүдийн талаар Амори лабораторийн судалгааны баг чухал ойлголтуудыг дэвшүүлсэн. Олон тэрбум хүний амь эрсдэлд байгаа энэ цаг үед дэлхий нийт энэхүү аюултай вирусын эсрэг дархлаатай болгож чадах, урьдын хэвийн амьдралд эргэн ороход туслах вакцины хөгжүүлэлтийг шинжлэх ухааны нийгэмлэгээс хүлээж байна. Өнөөгийн нөхцөлд молекулын динамик симуляцийн тооцооноос гарсан үр дүн нь энэхүү вирусын эсрэг хүчтэй вакцин, эмчилгээний агентыг хөгжүүлэхэд ашиглаж болох SARS-CoV-2 вирусын спайк уураг, түүний гликан бүрхүүлийн доторх шинэ ойлголтуудыг өгсөөр байна. Эцэст нь хэлэхэд өөр өөр шинжлэх ухааны салбарын нэгдсэн хүчин чармайлт нь ойрын ирээдүйд SARS-CoV-2 корона вирусын тархалтыг зогсоох найдварыг төрүүлж байна.

Ном зүй

(1) Casalino, L.; Gaieb, Z.; Goldsmith, J. A.; Hjorth, C. K.; Dommer, A. C.; Harbison, A. M.; Fogarty, C. A.; Barros, E. P.; Taylor, B. C.; McLellan, J. S.; Fadda, E.; Amaro, R. E. Beyond Shielding: The Roles of Glycans in SARS-CoV-2 Spike Protein. ACS Cent. Sci. 2020, ASAP. DOI: 10.1021/acscentsci.0c01056.

(2) Wrapp, D.; Wang, N.; Corbett, K. S.; Goldsmith, J. A.; Hsieh, C.- L.; Abiona, O.; Graham, B. S.; McLellan, J. S. Cryo-EM Structure of the 2019-NCoV Spike in the Prefusion Conformation. Science 2020, 367, 1260−1263.

(3) Wang, Q.; Zhang, Y.; Wu, L.; Niu, S.; Song, C.; Zhang, Z.; Lu, G.; Qiao, C.; Hu, Y.; Yuen, K.-Y.; et al. Structural and functional basis of SARS-CoV-2 entry by using human ACE2. Cell 2020, 181, 894− 904.e9.

(4) Korber, B.; Fischer, W. M.; Gnanakaran, S.; Yoon, H.; Theiler, J.; Abfalterer, W.; Hengartner, N.; Giorgi, E. E.; Bhattacharya, T.; Foley, B.; et al. Tracking changes in SARS-CoV-2 Spike: evidence that D614G increases infectivity of the COVID-19 virus. Cell 2020, 182, 812−827.e19.

(5) Watanabe, Y.; Allen, J. D.; Wrapp, D.; McLellan, J. S.; Crispin, M. Site-specific glycan analysis of the SARS-CoV-2 spike. Science 2020, 369, 330−333.

(6) Woo, H.; Park, S.; Choi, Y. K.; Park, T.; Tanveer, M.; Cao, Y.; Kern, N. R.; Lee, J.; Yeom, M. S.; Croll, T. I.; Seok, C.; Im, W. Developing a fully-glycosylated full-length SARS-CoV-2 spike protein model in a viral membrane. J. Phys. Chem. B 2020, 124, 7128−7137.

(7) Turoňova, B.; Sikora, M.; Schu ́ ̈rmann, C.; Hagen, W. J.; Welsch, S.; Blanc, F. E.; von Bülow, S.; Gecht, M.; Bagola, K.; Hörner, C.; et al. In situ structural analysis of SARS-CoV-2 spike reveals flexibility mediated by three hinges. Science 2020, No. eabd5223.

(8) Sikora, M.; von Bülow, S.; Blanc, F. E. C.; Gecht, M.; Covino, R.; Hummer, G. Map of SARS-CoV-2 spike epitopes not shielded by glycans. bioRxiv, 2020. DOI: 10.1101/2020.07.03.186825.

(9) Wang, Y.; Liu, M.; Gao, J. Enhanced receptor binding of SARSCoV-2 through networks of hydrogen-bonding and hydrophobic interactions. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2020, 117, 13967−13974.

(10) Ke, Z.; Oton, J.; Qu, K.; Cortese, M.; Zila, V.; McKeane, L.; Nakane, T.; Zivanov, J.; Neufeldt, C. J.; Cerikan, B. Structures and distributions of SARS-CoV-2 spike proteins on intact virions. Nature 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2665-2.

Эх сурвалж: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.0c01236

Мэдээ бэлтгэсэн: Симуляци, тооцооллын салбар, ЭША М.Чагдаржав