خريطة جزيئية جديدة تكشف كيف يختطف فيروس الأنفلونزا الخلايا البشرية

وتسبب الأنفلونزا الموسمية ما بين 3 إلى 5 ملايين حالة مرضية خطيرة في جميع أنحاء العالم كل عام وترتبط بما يصل إلى 650 ألف حالة وفاة. تسببت الأنفلونزا A أيضًا في حدوث العديد من الأوبئة، بما في ذلك جائحة الأنفلونزا الإسبانية عام 1918.

بعد دخول الخلية، يطلق الفيروس الحمض النووي الريبوزي (RNA) الذي يحتوي على تعليمات صنع مجموعة صغيرة من البروتينات الفيروسية. وتنتشر هذه البروتينات عبر الخلية المضيفة وتعيد توجيه أنظمتها الجزيئية، وتحول الخلية إلى موقع إنتاج لجزيئات الفيروس الجديدة.

رسم خريطة لفيروس الأنفلونزا داخل الخلايا السليمة

إن الرؤية الأكثر وضوحًا لهذا الاستحواذ يمكن أن تساعد العلماء على تطوير لقاحات أكثر فعالية للأنفلونزا والأدوية المضادة للفيروسات. للوصول إلى هذا الهدف، يحتاج الباحثون إلى معرفة البروتينات الفيروسية التي تتفاعل مع البروتينات البشرية، ومكان حدوث تلك الاتصالات، وكيف يستخدمها الفيروس لدعم تكاثره.

الدراسة الجديدة هي الأولى التي تحدد الاتصالات المباشرة بين بروتينات الأنفلونزا والبروتينات البشرية على نطاق واسع داخل الخلايا المصابة السليمة. وكانت التفاصيل الهيكلية أيضًا دقيقة بما يكفي للباحثين لوضع نموذج لكيفية توافق البروتينات المتفاعلة معًا.

وقال جان كوسينسكي، قائد المجموعة في EMBL هامبورغ ومركز بيولوجيا الأنظمة الهيكلية (CSSB): “يوفر عملنا طريقة جديدة لدراسة التفاعلات بين مضيفي الأنفلونزا في سياقها الأصلي وبرؤية هيكلية”. “النتائج الحالية هي لقطة للحظة أثناء الإصابة، وتفتح الباب لدراسة تفاعلات مضيف الأنفلونزا عبر دورة العدوى بأكملها.”

التغلب على مشكلة تجريبية كبرى

يعد تتبع تفاعلات البروتين البروتين أثناء العدوى النشطة أمرًا صعبًا للغاية. اعتمدت العديد من الدراسات السابقة على تقنيات الكيمياء الحيوية التي تطلبت من العلماء فتح الخلايا قبل قياس ملامسة البروتين.

يمكن لهذه العملية أن تشوه ما كان يحدث داخل الخلية الحية. بمجرد تدمير الأجزاء الداخلية، قد تتلامس البروتينات التي تم فصلها في الأصل في المختبر. وفي الوقت نفسه، يمكن أن تختفي التفاعلات الضعيفة أو المؤقتة أو الخاصة بالموقع. ونتيجة لذلك، قد يواجه الباحثون صعوبة في تحديد الروابط التي كانت موجودة بالفعل أثناء الإصابة بالعدوى.

“هذا عندما علمنا أن المتعاونين معنا، بوريس بوغدانوف وفان ليو، في FMP برلين قد طوروا نسخة متخصصة من قياس الطيف الكتلي المتقاطع (XL-MS)، وهي تقنية راسخة لرسم خرائط اتصالات البروتين، مصممة خصيصًا للخلايا المصابة بالفيروسات”، قال كوسينسكي.

قدمت الطريقة المتخصصة الاختراق الذي يحتاجه الفريق. لقد جعل من الممكن التقاط التفاعلات التي تحدث لفترة وجيزة فقط أو داخل مناطق معينة من الخلية المصابة.

وأوضح بوجدانوف، وهو الآن قائد مجموعة أبحاث مبتدئة في معهد علم الفيروسات، شاريتيه – جامعة برلين: “يسمح لنا XL-MS بالتقاط تفاعلات البروتين مباشرة في الخلايا السليمة المصابة، مع توفير معلومات هيكلية حول كيفية حدوث هذه التفاعلات”. “وهذا يمنحنا نظرة ثاقبة للتفاعل بين الفيروس والخلية البشرية، وقد يساعد، من خلال النمذجة الهيكلية، في تحديد الأهداف القابلة للتنفيذ للتدخلات الصيدلانية المستقبلية.”

الجمع بين البيانات التجريبية مع AlphaFold

قام الباحثون بربط نتائج XL-MS الخاصة بهم بالنمذجة الهيكلية الحسابية. وقد سمح لهم ذلك بتحديد البروتينات الفيروسية والبشرية التي تتفاعل وتقدير كيفية وضع تلك البروتينات عند اتصالها.

لبناء هذه النماذج الهيكلية، استخدم الفريق نسخة معدلة من AlphaFold، خوارزمية التنبؤ ببنية البروتين الحائزة على جائزة نوبل.

وأوضح كوسينسكي: “الميزة الرئيسية لنهج AlphaFold المعدل هو أنه سمح لنا بتغذية بيانات الارتباط التجريبي الخاصة بنا مباشرة في النمذجة الهيكلية”. “يخبر هذا النموذج أي أجزاء من البروتينات الفيروسية والمضيفة قريبة من بعضها البعض داخل الخلايا المصابة. وكان هذا مفيدًا بشكل خاص للمجمعات المضيفة للفيروس، والتي غالبًا ما يصعب التنبؤ بها بشكل موثوق.”

طريقتان لاختطاف الأنفلونزا للخلايا البشرية

النتائج التي نشرت في علم الأحياء الدقيقة الطبيعةكشفت عن استراتيجيتين بارزتين يبدو أن الأنفلونزا A تستخدمهما عند السيطرة على الخلية.

يركز الأول على الهيماجلوتينين، وهو بروتين موجود على سطح الفيروس. تستخدم الأنفلونزا الهيماجلوتينين للالتصاق بالخلايا المضيفة والدخول إليها. تابع الباحثون هذا البروتين أثناء انتقاله عبر شبكة النقل والمعالجة الداخلية للخلية.

تتكون هذه الشبكة من حجيرات تقوم بطي البروتينات وتعديلها وإعدادها قبل إرسالها إلى مواقعها النهائية. وأظهر التحليل أن العديد من البروتينات البشرية ساعدت في طي الهيماجلوتينين وتعديله بشكل صحيح أثناء العدوى. بعض هذه البروتينات المضيفة كانت لها في السابق وظائف غير مفهومة.

الأنفلونزا تذيب الهياكل الموجودة في النواة

أما الاكتشاف الثاني فيتعلق بالبقع المظلية، وهي حجرات صغيرة تشبه القطيرات تقع داخل نواة الخلية. ووجد الفريق أن عدوى الأنفلونزا A تسببت في ذوبان هذه الهياكل.

عندما تتفكك البقع، فإنها تطلق بروتينات ربط الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي كانت موجودة بداخلها. وقد يستخدم الفيروس بعد ذلك تلك البروتينات لدعم تكاثره.

قالت يوليا كوتوفا، زميلة ما قبل الدكتوراه السابقة في مجموعة كوسينسكي في EMBL هامبورغ، والتي تعمل حاليًا في ETH Zurich والمؤلفة الأولى للنشر: “أكثر ما أدهشنا هو المظلات”. “إن مشاهدة هذه العضيات الصغيرة في النواة وهي تتحلل باستمرار عبر كل خط خلوي وكل سلالة من سلالات الأنفلونزا التي اختبرناها، أخبرنا أن هذا ليس أثرًا جانبيًا للعدوى – بل قد يكون استراتيجية”.

قد يوفر هذا الاضطراب للأنفلونزا أكثر من ميزة.

وأضاف كوسينسكي: “قد تكون هناك أيضًا فائدة ثانية للفيروس: تشير بعض الأدلة إلى أن البقع المظلية تساهم في استجابات الإجهاد الخلوي وتنظيم الجينات المضادة للفيروسات، لذا فإن تعطيلها قد يؤدي أيضًا إلى إضعاف أجزاء من الاستجابة الدفاعية للخلية”.

جهد تعاوني عبر ثلاث مؤسسات

اعتمد المشروع على التكنولوجيا والخبرات المشتركة من ثلاث مؤسسات. أجرى الباحثون عمل قياس الطيف الكتلي المتقاطع في شاريتيه في برلين. تم الانتهاء من تحليلات البروتينات السكرية في مرفق البروتينات الأساسي EMBL.

أجرى الفريق نموذج AlphaFold على مجموعة EMBL Compute Cluster، في حين تم إجراء التصوير المجهري في مرفق CSSB للفحص المجهري للضوء والتألق المجهري (ALFM).

طريقة جديدة لدراسة الفيروسات الوبائية المحتملة

توضح النتائج كيف أن دراسة الاتصالات الجزيئية داخل الخلايا المصابة السليمة يمكن أن تكشف عن مكان وكيفية سيطرة الفيروس على الآلات الخلوية البشرية. ويقول الباحثون إن هذا النوع من “رسم الخرائط في السياق” قد يساعد أيضًا في تفسير كيفية عمل الفيروسات الأخرى.

“في حين أن العوامل والآليات المضيفة الدقيقة غالبًا ما تختلف من فيروس إلى آخر، فإننا نعتقد أن نهجنا العام – الجمع بين الارتباط المتبادل داخل الخلية، والنمذجة الهيكلية، والمتابعة المستهدفة لبيولوجيا الخلية لرسم خريطة للتفاعلات الأصلية لمضيف الفيروس في مراحل محددة من العدوى – لا يزال قابلاً للتطبيق على نطاق واسع”، كما قال كوسينسكي.

وعلى الرغم من أن الدراسة فحصت سلالة من الأنفلونزا تم تكييفها معمليًا، إلا أن الباحثين يعتقدون أنه يمكن استخدام نفس الإستراتيجية في النهاية للتحقيق في الفيروسات ذات القدرة الوبائية الأكبر.

يوافق بوجدانوف على ذلك: “على الرغم من أن هذه الدراسة ركزت على سلالة تم تكييفها معمليًا، إلا أن هذه الدراسة تضع الأساس لتطبيق المنهجية على الفيروسات ذات الصلة الوبائية المحتملة، مثل H5N1، وللكشف عن شبكات التفاعل التي تدعم تكاثرها في الخلايا البشرية”.