Адсорбция и проникновение вируса в клетку: механизмы

Прежде чем вирус начнёт использовать клеточный аппарат для размножения, ему предстоит преодолеть внешнюю оболочку клетки. Этот процесс разбивается на несколько строго последовательных этапов: адсорбцию на поверхности, проникновение сквозь мембрану и раздевание нуклеокапсида. Каждый шаг специфичен и определяет, какие клетки и ткани окажутся уязвимы к данному вирусу. Чтобы разобраться, на каком этапе может остановить инфекцию тот или иной препарат или иммунный ответ, воспользуйтесь инструментом ниже.

Что такое адсорбция вируса

Адсорбция - это первый и определяющий этап инфекции: вирионы прикрепляются к специфическим рецепторам на поверхности клетки-хозяина. Связь обеспечивается взаимодействием вирусного белка прикрепления (attachment protein) с клеточным рецептором - строго как ключ в замок.

Адсорбция имеет два уровня:

• Неспецифический: электростатическое притяжение между отрицательно заряженными гликозаминогликанами клеточной поверхности (гепарансульфатом) и положительно заряженными участками вирусных белков. Это предварительный захват, концентрирующий вирион у поверхности.
• Специфический: высокоаффинное связывание вирусного лиганда с функциональным клеточным рецептором. Именно оно определяет тропизм - избирательность вируса к определённым тканям.

Классические примеры специфических рецепторов: ACE2 для SARS-CoV-2, CD4 для ВИЧ, сиаловые кислоты для вирусов гриппа, CAR (Coxsackievirus-Adenovirus Receptor) для аденовирусов. Если клетка не экспрессирует нужный рецептор - вирион не задержится на её поверхности.

Рассчитать для своей задачи

Рецепторы клетки-хозяина и тропизм вирусов

Клеточные рецепторы для вирусов - это, как правило, нормальные функциональные молекулы клетки, выполняющие собственные физиологические роли. Вирусы «подобрали» к ним ключ в ходе эволюции.

Для успешного заражения часто требуются корецепторы - дополнительные молекулы, участвующие в последующей конформационной перестройке. ВИЧ, например, связывается с CD4 (первичный рецептор), а затем с корецептором CCR5 или CXCR4 - только после этого происходит слияние мембран. Именно поэтому макрофаги (несущие CCR5) и Т-лимфоциты (несущие CXCR4) заражаются разными вариантами ВИЧ.

Тропизм определяется не только наличием рецептора, но и:

• Доступностью рецептора (апикальная vs базолатеральная сторона эпителия).
• Экспрессией клеточных протеаз, необходимых для активации вирусных белков слияния (например, TMPRSS2 для SARS-CoV-2).
• Внутриклеточными факторами - рестриктазами и антивирусными белками.

Понимание тропизма - основа для объяснения, почему одни вирусы поражают дыхательные пути, другие - нервную систему, третьи - клетки крови. Подробнее о биологической классификации вирусов по типу нуклеиновой кислоты можно прочитать в статье про классификацию вирусов по Балтимору.

Механизмы проникновения: эндоцитоз

После адсорбции вирион должен доставить свой геном внутрь клетки. Один из двух главных механизмов - эндоцитоз: клетка сама «заглатывает» прикреплённый вирион, формируя эндосому.

Различают несколько форм эндоцитоза:

1. Клатрин-опосредованный эндоцитоз - самый распространённый. Клатриновые структуры образуют ямки на мембране, которые затягиваются и отщепляются как покрытые везикулы. Характерен для вирусов гриппа, VSV, аденовирусов.
2. Кавеолин-зависимый эндоцитоз - через кавеолы (мембранные инвагинации, богатые холестерином). Используется, например, некоторыми полиомавирусами.
3. Макропиноцитоз - массовое поглощение внеклеточной жидкости с содержимым. Задействован при заражении некоторыми крупными вирусами.
4. Прямое слияние с плазматической мембраной - это уже второй механизм (см. ниже), не эндоцитоз.

Ключевой фактор для эндоцитозного пути - кислотность эндосомы. По мере созревания эндосомы pH снижается с ~7 до ~5-6. Многие вирусы используют это закисление как сигнал для конформационного изменения белков слияния и выхода в цитоплазму.

Слияние мембран: прямое проникновение

Второй механизм проникновения - слияние вирусной оболочки с клеточной мембраной. Он характерен для оболочечных вирусов (paramyxoviruses, ВИЧ, герпесвирусы).

Белки слияния вирусов (fusion proteins) - высококонсервативные трансмембранные белки, претерпевающие драматические конформационные изменения. Схематично процесс выглядит так:

1. Вирусный белок слияния «выстреливает» гидрофобным фузионным пептидом, который внедряется в мембрану клетки-хозяина.
2. Белок «складывается», сближая вирусную и клеточную мембраны.
3. Происходит слияние липидных бислоёв - образуется пора слияния.
4. Нуклеокапсид вируса переходит в цитоплазму.

Для слияния у плазматической мембраны обычно не требуется снижения pH (в отличие от эндосомального пути). Инициатором выступает связывание с корецептором или самостоятельная нестабильность предфузионной конформации белка.

Классический пример - ВИЧ: гликопротеин gp160 (расщепляется на gp120 и gp41), где gp120 связывается с CD4/CCR5, а gp41 осуществляет слияние мембран прямо у поверхности клетки.

Рассчитать для своей задачи

Раздевание нуклеокапсида

После доставки вирионного содержимого в цитоплазму следует раздевание (uncoating) - освобождение генома от белковых оболочек. Только после этого вирусная нуклеиновая кислота становится доступна для транскрипции и репликации.

Раздевание может происходить:

• В эндосоме (до разрыва мембраны): для многих простых вирусов - аденовирусов, реовирусов.
• В цитоплазме: нуклеокапсид доставляется в цитоплазму уже частично «раздетым», далее разбирается при участии клеточных шаперонов и протеосомальной системы.
• В ядре: некоторые вирусы (ортомиксовирусы, аденовирусы) транспортируют нуклеокапсид к ядерным порам и высвобождают геном уже внутри ядра.

Степень раздевания тесно связана с типом репликации: ДНК-вирусы, реплицирующиеся в ядре, нередко транспортируют вирионные белки вместе с ДНК через ядерные поры. РНК-вирусы обычно реплицируются в цитоплазме и не требуют ядерного транспорта.

Для детального понимания всего цикла воспроизведения - от репликации до сборки и выхода - обратитесь к материалу про репродукцию вирусов: жизненный цикл и этапы.

Роль липидных рафтов и холестерина

Липидные рафты - специализированные микродомены мембраны, обогащённые холестерином и сфинголипидами, - играют важную роль в организации рецепторов и в вирусном проникновении.

Многие вирусные рецепторы (CD4, GPI-заякоренные белки) концентрируются именно в рафтах. Вирусы, использующие кавеолин-зависимый эндоцитоз, тоже ассоциированы с рафтами. Истощение холестерина (циклодекстрином) нарушает проникновение ряда вирусов - это подтверждает роль рафтов как платформ для инициации инфекции.

Блокада проникновения: точки приложения противовирусных препаратов

Знание механизмов адсорбции и проникновения открывает конкретные мишени для противовирусной терапии:

Нейтрализующие антитела действуют преимущественно на этапе адсорбции: они связываются с вирусными белками прикрепления и стерически препятствуют связыванию с рецептором. В этом их главная роль при вакцинном иммунитете.

Рассчитать для своей задачи

Частые ошибки

• «Любой вирус может заразить любую клетку». Нет - адсорбция специфична. Клетка без нужного рецептора недоступна для данного вируса.
• «Проникновение и инфицирование - синонимы». Нет. После проникновения вирион ещё должен раздеться, и его геном - начать транскрипцию. Блокада раздевания (например, амантадином при гриппе А) останавливает инфекцию уже после проникновения.
• «Эндоцитоз всегда ведёт к инфекции». Нет - клетка может разрушить вирион в лизосоме. Вирусы, избегающие лизосомальной деградации, эволюционно отточили выход в цитоплазму до того, как эндосома сольётся с лизосомой.
• «Один вирус - один рецептор». Многие вирусы используют несколько рецепторов и корецепторов последовательно. Блокировать лишь один из них может быть недостаточно для полного подавления инфекции.
• «Оболочечные вирусы всегда сливаются с плазматической мембраной». Нет - часть оболочечных вирусов (грипп, SARS-CoV-2) в большинстве клеток всё же входит через эндосому, используя кислотозависимую активацию белка слияния.

FAQ

Почему антитела к рецептор-связывающему домену (RBD) особенно ценны? Они непосредственно блокируют первый шаг инфекции - адсорбцию. Даже низкий уровень таких антител может резко снизить эффективность заражения, поскольку конкуренция за рецептор происходит ещё до контакта вириона с мембраной.

Может ли вирус войти в клетку без рецептора, просто физически? Случайное неспецифическое проникновение в неспецифическую клетку крайне маловероятно и биологически незначимо: нуклеокапсид не раздевается без клеточных факторов, специфичных для данного вируса. Инфекция без специфической адсорбции - исключение, а не правило.

Как мутации в рецепторном домене вируса влияют на тропизм? Точечные замены в сайте связывания могут кардинально изменить спектр клеток-хозяев. Именно такие мутации лежат в основе смены хозяина при зоонозных передачах: вирус «учится» связываться с рецептором нового вида.

Коротко

Адсорбция вируса - высокоспецифичное взаимодействие вирусного белка прикрепления с клеточным рецептором, определяющее тропизм. Проникновение осуществляется двумя путями: эндоцитозом (с последующим кислотозависимым выходом из эндосомы) или прямым слиянием мембран. После доставки в цитоплазму нуклеокапсид раздевается, и геном становится доступным для репликации. Каждый этап - мишень для противовирусных препаратов: от блокаторов рецептора и ингибиторов слияния до препаратов, нарушающих кислотность эндосомы.