Η γρίπη εξακολουθεί να αποτελεί μία από τις μεγαλύτερες απειλές για τη δημόσια υγεία, προκαλώντας κάθε χρόνο από 3 έως 5 εκατομμύρια σοβαρά περιστατικά παγκοσμίως και συνδεόμενη με έως και 650.000 θανάτους. Παράλληλα, ο ιός της γρίπης Α ενοχοποιείται για ορισμένες από τις πιο καταστροφικές πανδημίες στην ιστορία, μεταξύ των οποίων και η ισπανική γρίπη του 1918.
Παρότι οι επιστήμονες γνωρίζουν εδώ και δεκαετίες ότι ο ιός μετατρέπει τα ανθρώπινα κύτταρα σε «εργοστάσια» παραγωγής νέων ιικών οντοτήτων, πολλές από τις μοριακές διεργασίες που του επιτρέπουν να το πετυχαίνει παρέμεναν ασαφείς.
Τώρα, ερευνητές του European Molecular Biology Laboratory (EMBL) στο Αμβούργο, σε συνεργασία με επιστήμονες του Leibniz Research Institute for Molecular Pharmacology (FMP) στο Βερολίνο, κατάφεραν να δημιουργήσουν τον πιο λεπτομερή μέχρι σήμερα μοριακό χάρτη των αλληλεπιδράσεων του ιού της γρίπης Α με τα ανθρώπινα κύτταρα.
ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Nature Microbiology, δεν αποκαλύπτει μόνο ποιες ανθρώπινες πρωτεΐνες εκμεταλλεύεται ο ιός κατά τη λοίμωξη, αλλά και τον τρόπο με τον οποίο αναδιοργανώνει την εσωτερική αρχιτεκτονική του κυττάρου για να διευκολύνει τον πολλαπλασιασμό του.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα ευρήματα ανοίγουν τον δρόμο για την ανάπτυξη νέων αντιιικών φαρμάκων, αλλά και για τη μελέτη επικίνδυνων στελεχών όπως το H5N1.
Καλύτερη κατανόηση του μηχανισμού της λοίμωξης
Η λοίμωξη ξεκινά όταν ο ιός εισέρχεται στο ανθρώπινο κύτταρο και απελευθερώνει το γενετικό του υλικό, ένα μόριο RNA που περιέχει τις οδηγίες για την παραγωγή ενός μικρού αριθμού ιικών πρωτεϊνών.
Παρότι είναι λίγες, αυτές οι πρωτεΐνες αρκούν για να αναλάβουν τον έλεγχο των μοριακών μηχανισμών του κυττάρου. Ανακατευθύνουν τις φυσιολογικές λειτουργίες του, μετατρέποντάς το σε μια γραμμή παραγωγής νέων ιών που θα μολύνουν γειτονικά κύτταρα.
Η καλύτερη κατανόηση αυτής της διαδικασίας θεωρείται κρίσιμη για την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών εμβολίων και αντιιικών θεραπειών. Για να συμβεί αυτό όμως, οι επιστήμονες πρέπει να γνωρίζουν ποιες ιικές πρωτεΐνες καα ποιες ανθρώπινες αλληλεπιδρούν, σε ποιο σημείο του κυττάρου, και πώς ο ιός αξιοποιεί αυτές τις σχέσεις προς όφελός του.
Μέχρι σήμερα η απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα ήταν εξαιρετικά δύσκολη. Οι περισσότερες προηγούμενες μελέτες βασίζονταν σε βιοχημικές τεχνικές που απαιτούσαν τη διάλυση των κυττάρων πριν από την ανάλυση των πρωτεϊνών τους. Η διαδικασία αυτή, όμως, αλλοιώνει συχνά την πραγματική εικόνα. Όταν καταστρέφονται τα εσωτερικά διαμερίσματα του κυττάρου, πρωτεΐνες που φυσιολογικά δεν έρχονται ποτέ σε επαφή μπορεί να αλληλεπιδράσουν τεχνητά στο εργαστήριο. Ταυτόχρονα, ασθενείς, παροδικές ή ιδιαίτερα τοπικές αλληλεπιδράσεις μπορεί να χαθούν εντελώς. Το αποτέλεσμα είναι ότι οι επιστήμονες δυσκολεύονται να ξεχωρίσουν ποιες συνδέσεις υπήρχαν πραγματικά κατά τη διάρκεια της λοίμωξης.
Η λύση ήρθε μέσα από μια εξειδικευμένη παραλλαγή της τεχνικής Cross-Linking Mass Spectrometry (XL-MS), την οποία είχαν αναπτύξει οι συνεργάτες της ομάδας στο FMP ειδικά για μολυσμένα κύτταρα.
Η τεχνική αυτή επιτρέπει στους ερευνητές να «παγιδεύουν» τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτεϊνών μέσα σε άθικτα κύτταρα τη στιγμή που αυτές συμβαίνουν, ακόμη και όταν πρόκειται για εξαιρετικά σύντομες ή τοπικά περιορισμένες επαφές.
Σύμφωνα με τον Jan Kosinski, επικεφαλής ερευνητικής ομάδας στο EMBL Hamburg και στο Centre for Structural Systems Biology (CSSB), αυτά τα αποτελέσματα αποτελούν ουσιαστικά ένα στιγμιότυπο μιας συγκεκριμένης χρονικής στιγμής της λοίμωξης, τα οποία ανοίγουν τον δρόμο για τη χαρτογράφηση των αλληλεπιδράσεων σε ολόκληρο τον κύκλο ζωής του ιού.
Ο Boris Bogdanow, σήμερα επικεφαλής ερευνητικής ομάδας στο Ινστιτούτο Ιολογίας της Charité στο Βερολίνο, επισημαίνει ότι η XL-MS επιτρέπει την άμεση καταγραφή των αλληλεπιδράσεων μέσα στα μολυσμένα κύτταρα, παρέχοντας ταυτόχρονα πληροφορίες για τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται οι πρωτεΐνες μεταξύ τους.
Όπως σημειώνει, αυτή η δομική εικόνα μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό νέων θεραπευτικών στόχων για μελλοντικές φαρμακευτικές παρεμβάσεις.
Ένα ακόμη βήμα παραπέρα…
Οι ερευνητές δεν περιορίστηκαν όμως στην πειραματική καταγραφή των πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων, αλλά συνδύασαν τα δεδομένα της XL-MS με μια τροποποιημένη εκδοχή του AlphaFold, του συστήματος τεχνητής νοημοσύνης που έφερε επανάσταση στην πρόβλεψη της τρισδιάστατης δομής των πρωτεϊνών.
Σε αντίθεση με την κλασική χρήση του AlphaFold, η ομάδα ενσωμάτωσε απευθείας τα πειραματικά δεδομένα διασύνδεσης στο μοντέλο. Έτσι, το σύστημα γνώριζε ποια τμήματα των ανθρώπινων και των ιικών πρωτεϊνών βρίσκονταν σε πολύ μικρή απόσταση μέσα στα μολυσμένα κύτταρα, βελτιώνοντας σημαντικά την αξιοπιστία των προβλέψεων, ιδιαίτερα για πολύπλοκα συμπλέγματα πρωτεϊνών μεταξύ ιού και ξενιστή.
Η ανάλυση αποκάλυψε δύο ιδιαίτερα σημαντικούς μηχανισμούς που χρησιμοποιεί η γρίπη Α για να καταλαμβάνει τον έλεγχο του κυττάρου.
Ο πρώτος αφορά την αιμοσυγκολλητίνη, την πρωτεΐνη που καλύπτει την επιφάνεια του ιού και του επιτρέπει να προσκολλάται στα ανθρώπινα κύτταρα και να εισέρχεται σε αυτά.
Οι επιστήμονες παρακολούθησαν την πορεία της καθώς διέσχιζε το εσωτερικό σύστημα μεταφοράς και επεξεργασίας πρωτεϊνών του κυττάρου, όπου οι πρωτεΐνες αναδιπλώνονται, τροποποιούνται χημικά και προετοιμάζονται για τον τελικό προορισμό τους.
Εκεί διαπίστωσαν ότι αρκετές ανθρώπινες πρωτεΐνες βοηθούν την αιμοσυγκολλητίνη να αποκτήσει τη σωστή δομή ώστε να λειτουργήσει αποτελεσματικά. Ορισμένες από αυτές τις πρωτεΐνες είχαν μέχρι σήμερα ελάχιστα κατανοητή βιολογική λειτουργία, γεγονός που τις καθιστά ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες ως πιθανούς στόχους νέων θεραπειών.
Η δεύτερη ανακάλυψη αποδείχθηκε ακόμη πιο απρόσμενη. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι η μόλυνση από γρίπη Α προκαλεί τη διάλυση των λεγόμενων paraspeckles, μικροσκοπικών δομών χωρίς μεμβράνη που μοιάζουν με σταγονίδια, τα οποία βρίσκονται μέσα στον πυρήνα του κυττάρου και λειτουργούν ως διαμερίσματα αποθήκευσης και ρύθμισης πρωτεϊνών και μορίων RNA. Όταν αυτές οι δομές διαλύονται, απελευθερώνονται πρωτεΐνες που δεσμεύουν RNA, τις οποίες ο ιός φαίνεται ότι στρατολογεί για να ενισχύσει την αντιγραφή του γενετικού του υλικού και τον πολλαπλασιασμό του.
«Βλέποντας αυτά τα μικροσκοπικά οργανίδια μέσα στον πυρήνα να διαλύονται με συνεπή τρόπο σε κάθε κυτταρική σειρά και σε κάθε στέλεχος γρίπης που δοκιμάσαμε, καταλάβαμε ότι δεν πρόκειται απλώς για μια παρενέργεια της λοίμωξης, αλλά πιθανώς για μια στρατηγική του ίδιου του ιού», λέει η πρώτη συγγραφέας της μελέτης, Iuliia Kotova, σήμερα ερευνήτρια στο ETH Zurich
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η διάλυση των paraspeckles πιθανότατα προσφέρει στον ιό και ένα δεύτερο πλεονέκτημα. Προηγούμενες ενδείξεις υποστηρίζουν ότι οι δομές αυτές συμμετέχουν στις αποκρίσεις του κυττάρου απέναντι στο στρες και στη ρύθμιση γονιδίων που ενεργοποιούν την αντιιική άμυνα. Αν ο ιός τις αποδιοργανώνει σκόπιμα, ενδέχεται ταυτόχρονα να αποδυναμώνει και μέρος των φυσικών αμυντικών μηχανισμών του κυττάρου.
Παρότι η έρευνα πραγματοποιήθηκε σε εργαστηριακά προσαρμοσμένο στέλεχος της γρίπης Α, οι επιστήμονες θεωρούν ότι η μεθοδολογία που ανέπτυξαν μπορεί να εφαρμοστεί σε πολύ πιο επικίνδυνους ιούς. Αν και κάθε ιός χρησιμοποιεί διαφορετικούς μηχανισμούς και διαφορετικούς παράγοντες του ξενιστή, ο συνδυασμός της XL-MS μέσα σε άθικτα κύτταρα, της δομικής υπολογιστικής μοντελοποίησης και της στοχευμένης κυτταρικής βιολογίας αποτελεί μια γενική προσέγγιση που μπορεί να αποκαλύψει τον τρόπο λειτουργίας πολλών διαφορετικών ιών.
Ο Bogdanow προσθέτει ότι η παρούσα μελέτη θέτει τα θεμέλια για την εφαρμογή της ίδιας στρατηγικής σε ιούς με πανδημικό δυναμικό, όπως ο H5N1, αποκαλύπτοντας τα δίκτυα αλληλεπιδράσεων που τους επιτρέπουν να πολλαπλασιάζονται μέσα στα ανθρώπινα κύτταρα.
Αν οι επιστήμονες καταφέρουν να εντοπίσουν τους πιο κρίσιμους από αυτούς τους μοριακούς «κόμβους», θα μπορούν να αναπτύξουν θεραπείες που δεν θα στοχεύουν μόνο τον ίδιο τον ιό, αλλά και τους κυτταρικούς μηχανισμούς που αυτός εκμεταλλεύεται, μια στρατηγική που θα μπορούσε να αποδειχθεί πολύ πιο ανθεκτική απέναντι στις συνεχείς μεταλλαγές της γρίπης.
