Ученые описали структуру мишени коронавируса SARS-CoV-2
Renhong Yan et al. / Science, 2020
Китайские исследователи определили кристаллическую структуру молекулы, с которой связывается SARS-CoV-2 при проникновении в клетку, сообщается в Science. Эта молекула — ангиотензин-превращающий фермент 2. Результаты работы ускорят разработку эффективных средств против коронавируса.
Чтобы попасть в клетку, SARS-CoV-2, как и другие коронавирусы, использует белок-«шип» (spike, S-белок). Им он прикрепляется к мишени на поверхности клетки-хозяина. Секвенирование генома нового коронавируса показало, что в его случае мишень — ангиотензин-превращающий фермент 2 (АПФ2). С той же молекулой связывается и вирус «атипичной пневмонии» SARS-CoV, один из ближайших родственников нового коронавируса.
Этот фермент отщепляет одну аминокислоту от ангиотензина II типа и тем самым меняет его свойства: получившаяся молекула оказывает сосудосуживающий эффект и может играть роль при остром респираторном дистресс-синдроме. Другая функция АПФ2 — модулировать перенос аминокислот через мембрану клетки. Ее фермент реализует, поддерживая нужную форму мембранного транспортера аминокислот B 0 AT1.
Специалисты по структурной биологии из Университета Уэстлейка в Ханчжоу под руководством Цяна Чжоу (Qiang Zhou) с помощью криоэлектронной микроскопии (замораживания отдельных молекул и «просвечивания» их электронным микроскопом) получили данные о структуре АПФ2 в присутствии B 0 AT1. Молекулы находились в одном из двух состояний: связанные с фрагментом белка-«шипа» коронавируса и без связи с ним. Разрешение моделей составило 2.9 Å (ангстрем). Особое внимание уделили участку, которым «шип» связывается с ангиотензин-превращающим ферментом 2.
Комплекс из двух молекул АПФ2 (ACE2, синий и голубой), двух транспортеров аминокислот (B0AT1; розовый) и двух фрагментов вирусного белка-«шипа» (RBD, желтый) и его расположение в клеточной мембране
Вести науки
Основная связь между дефицитом ACE2 и коронавирусной инфекцией SARS-CoV-2
Рецепторы ангиотензин превращающего фермента-2 (АСЕ2) обеспечивают проникновение в клетку трех штаммов коронавируса: SARS-CoV, NL63 и SARS-CoV-2. Рецепторы ACE2 распространены повсеместно и широко экспрессируются в сердце, сосудах, кишечнике, легких (особенно в пневмоцитах и макрофагах 2 типа), почках, яичках и мозге. ACE2 в основном связан с клеточными мембранами и почти не присутствует в кровотоке в растворимой форме.
Важной целительной функцией мембраносвязанного и растворимого ACE2 является деградация ангиотензина II до ангиотензина. Следовательно, рецепторы ACE2 ограничивают несколько вредных эффектов, возникающих в результате связывания ангиотензина II с рецепторами AT1, которые включают вазоконстрикцию, усиленное воспаление и nромбоз. Повышенная генерация ангиотензина также вызывает контррегуляторные защитные эффекты посредством связывания с G-белком, связанным с рецепторами Mas. К сожалению, проникновение SARS-CoV2 в клетки посредством слияния мембран заметно подавляет рецепторы ACE2 с потерей каталитического действия этих рецепторов на внешнем сайте мембраны. Сообщалось, что усиление легочного воспаления и коагуляции является нежелательным эффектом усиленного и неопосредованного действия ангиотензина II через ось рецептора ACE → ангиотензин II → AT1.
Таким образом, подавление ACE2, вызванное проникновением в клетки SARS-CoV, NL63 и SARS-CoV-2, может быть особенно вредным для субъектов с ранее существовавшим дефицитом ACE2. Некоторая степень дефицита ACE2 была связана с различными состояниями, включая пожилой возраст, гипертонию, диабет и сердечно-сосудистые заболевания, которые также характеризуют людей с большей вероятностью быть инфицированными и иметь более серьезные осложнения.
Асе 2 белок что это
Вирус SARS-CoV-2 инфицирует клетки человека путем связывания своего S-белка с рецептором: ангиотензин-конвертирующим ферментом 2 (ACE2), эктомембранным интегрированным гликопротеином, массой 120 кДа, экспрессированным на поверхности клеток в легких, сердце, почках и кишечнике. Связывание SARS-коронавируса с ACE2 сопровождается слиянием вирусной и плазматической мембран, эндоцитозом и инфекцией клетки. Экспрессия ACE2 на клетках дыхательного эпителия важна для развития патологии при COVID-19. Инфекция обычно начинается в эпителии верхних дыхательных путей и распространяется затем на альвеолы в легких, при этом патологические процессы более выражены у пациентов с ослабленным иммунным ответом и сниженной способностью противодействовать распространению инфекции. COVID-19 обычно (у 80% пациентов) вызывает легкие симптомы, но у ряда пациентов встречаются тяжелые случаи заболевания, требующие госпитализации, интенсивной терапии и в некоторых ситуациях такие случаи ведут к смерти. Повышенная предрасположенность к осложнениям и смертность встречается у пациентов с сопутствующими заболеваниями, особенно у пациентов преклонного возраста или страдающих гипертонией, сердечно-сосудистыми заболеваниями, диабетом, хроническими заболеваниями легких и с ослабленным иммунитетом.
Вирус SARS-CoV-2 по многим характеристикам схож с вирусом SARS-CoV-1, который вызвал пандемию в 2002-2003 годах. Основные его особенности включают в себя приблизительно 80-ти процентную идентичность генома, спектр поражаемых тканей, смертность вследствие ОРДС и клеточный рецептор: ACE2. В сравнении с SARS-CoV-1, вирус SARS-CoV-2 имеет большее, приблизительно в 4 раза, сродство к ACE2. По причине их сходства информация о SARS-CoV-1 может помочь в развитии гипотез лечения инфекции, вызванной SARS-CoV-2, включая подбор фармакологических средств, эффективных для клинического использования.
Уровень экспрессии ACE2 высок в паренхиме легких, особенно в пневмоцитах II типа (альвеолярные клетки типа II). Пневмоциты II типа производят легочный сурфактант, фосфолипиды, которые снижают поверхностное натяжение, что необходимо для поддержания альвеолярной структуры. Пневмоциты II типа также могут дифференцироваться, превращаясь в альвеолярные клетки I типа, образующие структуру альвеол, что является механизмом замены пораженных клеток пневмоцитов І типа. Вирусы SARS-CoV-2 и SARS-CoV-1 нарушают структуру альвеол, что является ведущей патологическим процессом в легких, который характеризуется повышенным проникновением жидкости, гибелью клеток и воспалением, а также снижением газообмена и уровня сурфактанта. Вирус SARS-CoV-2 инфицирует пневмоциты, связываясь с ACE2, что приводит к снижению конверсии ангиотензина 2 (ANG II) в производные пептиды, например, снижению ангиотензина (ANG (1-7)) и его эффектов, противоположных таковым ANG II. Следовательно, уровни ANG II увеличиваются в альвеолярном микроокружении, что потенциально может влиять на клетки разных типов.
ANG II оказывает проапоптотическое действие на легочные эпителиальные клетки и эта реакция согласуется с патологией, вызываемой вирусами SARS, т. е. значительным поражением эпителия и альвеол, а также гибели клеток. Кроме того, ANG II способствует, а ANG (1-7) подавляет эпителиально-мезенхимальную трансформацию (ЭМТ), в результате чего эпителиальные клетки приобретают более фиброзный фенотип. ANG II также уменьшает клиренс альвеолярной жидкости. Апоптоз и ЭМТ эпителиальных клеток альвеол сопровождаются увеличением секреции провоспалительных цитокинов (например, IL1-β, IL-6, MCP-1, TNF-α и др.). Эпителиальные клетки взаимодействуют с иммунными клетками, в частности, во время инфицирования и апоптоза. Эти эффекты усугубляются секрецией компонентов ренин-ангиотензин-альдостероновой системы активированными миофибробластами и эпителиальными клетками, претерпевающими апоптоз, что усиливает эффекты ANG II в контуре положительной обратной связи.
ANG II также оказывает профиброзное действие на фибробласты интерстициальных пространств вокруг альвеол и увеличивает апоптоз эндотелиальных клеток и проницаемость эндотелия в окружающей капиллярной сети, что может увеличить поступление жидкости и иммунную инфильтрацию в пораженные участки легких. ANG II также влияет на различные типы иммунных клеток, усиливая инфильтрацию макрофагов, продуцирование активных форм кислорода (АФК) и высвобождение провоспалительных цитокинов. Помимо иммунных клеток, ANG II может стимулировать, а ACE2/ANG ингибировать патологическую продукцию АФК легочными фибробластами. Производство АФК активированными фибробластами является ключевым фактором поражения эпителия в моделях легочного фиброза.
Таким образом, эти данные позволяют предположить, что дисбаланс в действии пептидов, образующихся в результате действия ACE1 и ACE2, усиливает действие Ангиотензина-II (ANG II) и является основным движущим фактором патогенеза COVID-19.