Повторные волны распространения коронавирусной инфекции по-прежнему требуют эффективных противовирусных препаратов, что стимулирует исследования в этой области. Учёные ФНКЦ ФХМ им. Ю. М. Лопухина и МФТИ разработали новое соединение с противовирусной активностью — потенциальную основу лекарства. Соединение подавляет репликацию вируса, влияя на стабильную, не поддающуюся мутациям мишень в его геноме. Результаты работы опубликованы в журнале Biomolecules.
Любой вирус — это природная капсула, которая состоит из генетического материала в виде молекулы ДНК или РНК, заключённой в белковую оболочку — капсид. При размножении вируса копируется его генетическая информация: репликационный комплекс SARS-CoV-2 запускает процесс синтеза двух дочерних молекул РНК на основе родительской молекулы. Это довольно сложный комплекс, состоящий из нескольких белков, которые образуются в результате расщепления полипротеина-предшественника. Основной белковый арсенал вируса получается из двух предшественников, кодирующих перекрывающимися рамками считывания. Трансляция второй рамки требует запрограммированного сдвига рибосомы, на которой происходит биосинтез белка. Этот сдвиг имеет важное значение для репликации вируса. Он требует формирования псевдоузла в участке вирусного генома между двумя рамками считывания и может быть подавлен противовирусными препаратами на основе олигонуклеотидов.
«В нашей лаборатории мы работали над созданием активной компоненты лекарства для терапии SARS-CoV-2. Оно предназначено для пациентов, находящихся на начальном этапе развития заболевания. Создание лекарства — долгий процесс, на первом шаге мы выбрали нестандартную мишень — особый узелок на геномной РНК вируса под названием псевдоузел. Эта структура играет важную роль в процессе наработки новых вирусных частиц — без неё не запускается переключение программы синтеза белков. Попадая в организм, вирус начинает размножаться, захватывая территорию, а для этого ему необходимо произвести белки, которые дальше будут копировать геном», — пояснила Екатерина Книжник, первый автор, студентка 5 курса МФТИ, сотрудница лаборатории структуры и функций биополимеров ФНКЦ ФХМ им. Ю. М. Лопухина.
Как реализуется процесс копирования белков? В вирусе существует аппарат трансляции, который осуществляет синтез белков с РНК. Этот аппарат во время синтеза первого полипептида в первой рамке считывания, встречая геномный узелок, притормаживает. Таким образом происходит проскальзывание рибосомы. После проскальзывания активируется вторая программа синтеза, нарабатывается полипептид, соответствующий второй рамке считывания.
«Очевидно, что если этот псевдоузел удастся каким-то образом развязать, то размножение вируса остановится. Образно этот процесс можно представить как развязывание шнурков на ботинке. Мы растягиваем “бантик”, рибосома проходит его свободно, программа синтеза белка не переключается вовремя, и размножение вируса останавливается. Это уже пытались сделать до нас, но мы нашли слабое место в этом узелке, за которое весьма удобно тянуть, — это своеобразная петелька, за которую мы развязываем бантик. Для эффективного “развязывания” нам предстояло найти способ модифицировать фрагменты ДНК, чтобы они прочно связывались с нашей петелькой вирусной РНК с помощью особых химических модификаций», — добавила Екатерина Книжник.
Учёные получили и сравнили три типа противовирусных кандидатов — аналогов нуклеиновых кислот, комплементарных стеблям псевдоузла. Сравнивалась эффективность закрытых нуклеиновых кислот (locked nucleic acids, LNA), неполностью модифицированных аналогов ДНК, содержащих LNA звенья, и фосфоротиоатов, содержащих G-зажимы (CPS). Учёные показали, что аналоги олигонуклеотидов индуцируют разворачивание псевдоузла, этот эффект был особенно выражен в случае с LNA-модификацией. Также в ходе экспериментов было показано, что ведущие аналоги олигонуклеотидов снижают репликацию SARS-CoV-2 в двух клеточных линиях человека. Результаты исследования подчёркивают перспективность использования псевдоузла в качестве мишени, иллюстрируют преимущества и ограничения различных типов модификаций ДНК и могут способствовать разработке противовирусных препаратов на основе олигонуклеотидов.
«Почему мы выбрали именно это направление? Наша мишень — псевдоузел, и она не устаревает. Это очень стабильный элемент генома коронавируса. Как мы знаем, вирус постоянно мутирует, и даже вакцины теряют свою эффективность. Наше лекарство её не потеряет, так как реагирует на очень важную и консервативную структуру. За всю историю пандемии геномная последовательность, кодирующая эту структуру, практически не изменилась. Это очень хорошая мишень, мутации в этом месте вирусного генома не закрепляются. В дальнейшем мы можем разрабатывать лекарства, ориентируясь на эту консервативную особенность изменчивого вируса», — заключила Екатерина Книжник.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 23-14-00390 и грант 20-14-00121).