Глава 2. Как устроен коронавирус

Строение

Как мы выяснили в предыдущей главе, вирусы завоевали мир благодаря высокой скорости размножения и повышенной мутагенности. При этом, если главные конкуренты вирусов за планетарное господство – люди – осваивают новые территории при помощи разнообразных сложных технологических устройств, вирусы, наоборот, достигают своей цели за счет предельного упрощения, правда очень затейливого. Все до единого вирусные гены работают только на одну задачу – заселить как можно больше клеток и синтезировать максимально возможное количество вирусных частиц, которые, в свою очередь, будут инфицировать всё новые и новые клетки. Самые маленькие геномы у РНК-содержащих вирусов: рекордсмены минимизации вроде вируса гепатита D обходятся всего 1700 нуклеотидами (генетическими буквами). Для сравнения: в геноме человека больше 3 млрд пар нуклеотидов.

Геном коронавирусов тоже записан в молекуле РНК, однако они самые крупные представители этой группы: в среднем у них около 29 000 нуклеотидов. В геномной РНК SARS-CoV-2 29 900 нуклеотидов, и они кодируют 16 генов. Часть из них – гены, обеспечивающие синтез собственных белков вируса, остальные нужны для того, чтобы хакнуть геном клетки, заставив ее работать в режиме вирусной фабрики, а также для обмана клеточных защитных систем. Все эти «хитрые» гены и белки возникли в результате длительного сосуществования коронавирусов и их хозяев: каждая новая придумка паразита, облегчающая его проникновение в клетку или размножение, повышала шансы именно этой вирусной разновидности остаться в ходе эволюции. В результате такой позиционной войны виновник нынешней пандемии получился весьма хитроумным и коварным.

Рис. 2. Частица SARS-CoV-2 – ограниченная липидной мембраной сфера размером около 95 нм без учета торчащих наружу тримеров спайк-белка и 120–130 нм с ними. Внутри компактно упакована геномная РНК, намотанная на каркас из N-белка – в реальной вирусной частице она занимает внутреннее пространство почти целиком. SARS-CoV-2 не слишком похож на другие человеческие коронавирусы – геном ближайшего родственника SARS отличается на целых 20 %. Зато с одним из коронавирусов летучих мышей RaTG13 он схож на 96 %. Не исключено, что ученым удастся найти в рукокрылых еще более близкие вирусы, от которых мог произойти SARS-CoV-2

Хотя на первый взгляд так не скажешь. С виду SARS-CoV-2 устроен точно так же, как и множество других вирусов. Это сферическая частица со средним диаметром около 120 нанометров, покрытая многочисленными выростами. Утверждается, что благодаря им коронавирусы выглядят как маленькие короны (отсюда и название), но вообще-то куда больше они напоминают морскую мину – да и по смыслу морская мина ближе^[3]. Крупные выросты образованы так называемым шиповидным белком, он же спайк-белок, или S-белок (от английского spike – шип). С его помощью коронавирус цепляется за клеточные белки-рецепторы, которые выступают далеко за поверхность клетки. Выросты помельче – это структурный M-белок (от английского membrane protein, мембранный белок). Есть еще E-белок (от английского envelope protein, белок оболочки), который почти совсем не выдается за пределы сферы. M-, S- и E-белки погружены в липидную (жировую) мембрану, которая отделяет внутренность вирусной частицы от окружающей среды. То есть фактически вирус – это пузырек, стенка которого образована липидными молекулами с вкраплениями белков. Причем мембрана у вируса не своя, а позаимствованная у предыдущего хозяина: синтез липидов – сложный многостадийный процесс, требующий множества ферментов, генов которых у паразита нет. Внутри пузырька находится вирусная РНК, намотанная на каркас из N-белка (от английского nucleocapsid protein, белок нуклеокапсида). И это всё.

Проникновение

Несмотря на такую аскетичность, вирусная частица SARS-CoV-2 имеет все необходимое, чтобы весьма эффективно проникать в клетки организма-хозяина. Главными воротами, через которые вирус попадает внутрь, являются рецепторы ACE2, или, по-русски, АПФ2, что расшифровывается как ангиотензин-превращающий фермент 2. Вместе с ангиотензин-превращающим ферментом 1 (АПФ1, или ACE) ACE2 входит в так называемую ренин-ангиотензиновую систему, которая регулирует кровяное давление. Никакого глобального смысла в том, что вирус цепляется именно за ферменты системы, ответственной за давление, нет: скорее всего, ACE2 стал мишенью вируса случайно в ходе многочисленных циклов адаптации паразита к клеткам хозяина.

Рецепторы ACE2 – трансмембранные белки^[4], то есть они погружены в наружную клеточную мембрану, которая отграничивает клетки животных от окружающей среды. Они есть на клетках дыхательных путей, тонкого кишечника, стенок сосудов (эндотелия), яичек и некоторых других^[5]. Это теоретически означает, что SARS-CoV-2 может проникать во все эти органы, и действительно, было установлено, что вирус умеет внедряться, например, в клетки кишечника и яичек. Но эти локации вирусу по каким-то причинам не нравятся: если он и размножается там, то не слишком активно, не вызывая развития серьезных патологических процессов. А вот в клетках дыхательных путей, и особенно в клетках легких, SARS-CoV-2 разворачивает бурную деятельность.

Коронавирус цепляется за выступающий над поверхностью клеток ACE2 при помощи своего S-белка. В связывании участвует не весь белок, а его наружная расширенная часть – ее называют S1-фрагментом. Непосредственно с рецептором взаимодействует RBD-участок (receptor binding domain – домен, ответственный за связывание с рецептором), который очень точно прилегает к ACE2, повторяя все его выемки и впадины. Ученые любят называть такое точное присоединение взаимодействием типа ключ – замок.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ПУТЬ

ACE2 – не единственный рецептор, прилипнув к которому SARS-CoV-2 может проникнуть в клетки. В марте 2020 года ученые обнаружили^{3}, что этот коронавирус умеет цепляться за рецепторы CD147. Но вот загвоздка: CD147 почти не встречаются на поверхности клеток дыхательных путей. Зато этих рецепторов много на иммунных клетках, в некоторые из которых, как было показано группой исследователей из Китая и США^{4}, вирус может проникать. Пока до конца не ясно, использует ли он при этом CD147 или, может быть, какой-то третий тип рецепторов. Но сама возможность вторжения коронавируса в иммунные клетки вызывает настороженность, потому что именно разбаланс иммунного ответа является основной причиной смерти от SARS-CoV-2. Впрочем, похоже, что проникновение в иммунные клетки – необязательный и уж точно не основной механизм патогенеза вируса. О том, как именно SARS-CoV-2 влияет на иммунитет, мы подробнее поговорим в главе «Что коронавирус делает с нами».

Самого по себе связывания с ACE2 уже достаточно для проникновения. Разумеется, не каждая вирусная частица, зацепившаяся за рецептор, сумеет попасть внутрь клетки, однако при существенном количестве вируса довольно у многих это получится. Но коварные вирусы придумали^[6] дополнительный механизм, радикально увеличивающий шансы на проникновение: они используют сидящие в мембране протеазы^[7] – ферменты, расщепляющие белки. Такие протеазы чрезвычайно важны для клетки, так как очень многие белки изначально синтезируются в виде полуфабрикатов – длинных аминокислотных цепей. Для того чтобы перевести такие заготовки в рабочую форму, их нужно разрезать в одном или нескольких местах – иногда чтобы откусить лишний хвостик, иногда потому, что свернуться в молекулы правильной формы могут только короткие цепочки. Множество таких протеаз находится в мембране большой внутриклеточной фабрики всевозможных полезных веществ под названием аппарат Гольджи. Но некоторые выносятся на внешнюю мембрану, вероятно для того, чтобы завершить процесс производства белков, которые активны на поверхности клетки или выделяются вовне, например, разнообразных сигнальных молекул. Еще часть протеаз оказывается на внешней мембране как побочный продукт внутриклеточной логистики – ферменты попадают туда в пузырьках с разными экспортными белками, регулярно поставляемыми из аппарата Гольджи.

Протеазе все равно что расщеплять, лишь бы у белка была определенная последовательность, которую она узнаёт и режет. Хитрый коронавирус обзавелся сразу несколькими такими последовательностями в своем спайк-белке. После того как SARS-CoV-2 связывается с клеточным рецептором, он «подставляет» эти последовательности протеазам – и те простодушно расщепляют S-белок в нужных местах. Как предполагается, после этого конформация (форма) образовавшихся кусочков изменяется таким образом, что вся вирусная частица подтаскивается максимально близко к поверхности клетки и коронавирусу остается только слить свою мембрану с клеточной – точно так же, как сливаются вместе две капли масла, плавающие на воде. По другой гипотезе, вирус попадает внутрь клетки путем эндоцитоза, то есть как бы проваливается в выпячивающийся внутрь клетки мембранный пузырек^{5}. Но как бы то ни было, содержимое вирусной частицы оказывается внутри клетки.

Использовать клеточные протеазы для проникновения внутрь умеют многие вирусы: например, злобный родственник нынешнего коронавируса SARS (вирус, вызвавший вспышку атипичной пневмонии в 2002–2004 годах) эксплуатировал протеазу под названием TMPRSS2. Но SARS-CoV-2 не ограничился одной протеазой. В его спайк-белке вдобавок к последовательности, узнаваемой TMPRSS2, есть фрагмент, который расщепляет клеточная протеаза фурин. Предполагается, что готовность «работать» сразу с двумя протеазами делает нынешний коронавирус намного более заразным, чем его предшественник: если почему-либо TMPRSS2 окажется недоступна, он всегда сможет воспользоваться альтернативной протеазой^{6}. Более того, благодаря использованию протеаз SARS-CoV-2 скрывается от иммунной системы. Важнейшая часть вирусной оболочки, на которую реагируют различные иммунные компоненты, в том числе антитела, – RBD-фрагмент. До того как какая-нибудь из протеаз расщепит спайк-белок, этот кусочек находится в «лежачей» конформации и практически не выдается наружу. После взаимодействия с протеазой RBD-фрагмент поднимается над поверхностью и его можно легко обнаружить, но в этот момент вирус уже сливается с клеточной мембраной, и, для того чтобы его обезвредить, необходимо привлекать другие рода иммунных войск^{7}.

НЕВОЛЬНЫЙ ПОМОЩНИК

Различные протеазы используют в своих целях многие вирусы. Фурин печально знаменит тем, что сотрудничает с особо неприятными из них. Сайт (специфический участок) для расщепления фурином есть, например, у высокопатогенных штаммов птичьего гриппа. Его несет находящийся на поверхности вирусной частицы белок гемагглютинин. После того как сидящий на внешней мембране клетки фурин разрежет гемагглютинин на две субъединицы, на одной из них формируется участок, облегчающий слипание вирусной и клеточной мембран. Еще раз вирус птичьего гриппа использует фурин для того, чтобы более эффективно выпускать наружу новосинтезированные вирусные частицы – в этом случае работа пептидазы облегчает слияние вирусной и клеточной мембран изнутри клетки. Помогает фурин и вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ): один из белков его оболочки синтезируется в виде полуфабриката и нуждается в разрезании фурином. Белки флавивирусов, к которым относятся возбудители таких опасных болезней, как энцефалит, желтая лихорадка или лихорадка денге, также расщепляются фурином в процессе сборки вирусных частиц.

Удобную протеазу научились использовать не только вирусы: многие бактерии с ее помощью активируют свои токсины. Фурин расщепляет на две субъединицы А и В токсин дифтерийной палочки, после чего субъединица А отправляется в ядро и тормозит процессы, необходимые для синтеза клеточных белков (сам синтез белков идет в цитоплазме, но для его регуляции необходима работа определенных ядерных генов). После того как фурин разрежет на три части токсин сибирской язвы, структурная часть получившихся кусочков формирует канал, через который ядовитые фрагменты проникают в цитоплазму^{8}.

Казалось бы, такой вредный для клетки белок должен исчезнуть под давлением отбора, но увы, фурин и другие протеазы играют важнейшую роль в работе клеток и развитии эмбрионов, поэтому животным приходится носить в себе такую мину. По этой же причине – из-за участия фурина во множестве физиологических процессов – его вряд ли получится использовать как мишень для потенциального лекарства от COVID-19, хотя в экспериментах на культурах клеток и показано, что его блокировка уменьшает инфекционность SARS-CoV-2. Предыдущие попытки применить ингибиторы фурина (вещества, которые «выключают» его) для лечения других заболеваний показали, что такой подход дает множество побочных эффектов^{9}{10}.