Laboratoř proteinového inženýrství
V BIOCEV vzniká nová labororatoř na výzkum SARS-CoV-2
V centru BIOCEV vznikne pod hlavičkou 1. lékařské fakulty UK od 1. 1. 2023 nová laboratoř zabývající se výzkumem interakcí mezi hostitelem a jeho patogeny za pomocí pokročilého proteinového inženýrství. Prvním předmětem studia bude SARS-CoV-2 virus a jeho interakce s lidskými buňkami, kterou se doktor Jiří Zahradník intensivně zabývá od začátku pandemie. Koronavirus SARS-CoV-2 ovlivnil život každého z nás. Na následujících řádcích nám juniorský vedoucí laboratoře představí hlavní poznatky z jeho již dokončeného výzkumu a nastíní plánované budoucí směry bádání.
Jak jste se dostal k výzkumu koronaviru SARS-CoV-2?
Na začátku jara 2020 jsme se sešli v laboratoři prof. Schreibera na Weizmannově Institutu v Izraeli a dlouze diskutovali, zdali se zapojíme do globálního úsilí studia SARS-CoV-2. Jako biochemik specializující se na protein – proteinové interakce a téměř deset let pracující v interferonovém* výzkumu, jsem to považoval za dobrou příležitost jak zúročit své znalosti. Prof. Schreiber inicioval vznik skupiny vědců plánující výzkum různých aspektů SARS-CoV-2. Jejich zásluhou získal Weizmannův Institut veškeré potřebné zdroje k výzkumu. Izraelská vláda a další subjekty také podpořily výzkum koronaviru, díky čemuž jsme během necelých dvou měsíců měli jak potřebné vzorky, tak i potřebné finance. Všem zúčastněným bych rád poděkoval.
Jaký byl váš prvotní nápad na výzkum viru SARS-CoV-2?
Můj nápad byl jednoduchý, přesto netradiční. Využijeme proti viru jeho vlastní zbraň. Tou zbraní je tzv. RBD – receptor vazebná doména (z angl.: Receptor Binding Domain), která se společně s dalšími doménami nachází v Spike** proteinu a je zodpovědná za vazbu na ACE2 receptorového proteinu na povrchu vybraných lidských buněk. Samotná purifikovaná doména může soutěžit o vazebné místo na ACE2 receptoru s virem, čím se stává kompetitivním inhibitorem vstupu viru do buněk. Aby celý systém fungoval lépe, navrhl jsem aplikovat metodu proteinového inženýrství, kterou jsem v té době vyvíjel (1) a vytvořit modifikované RBD s vyšší vazbou na ACE2. Tím se zvýší schopnost modifikovaných molekul inhibovat vazbu. Přijetí mého nápadu mezi některými kolegy a spolupracovníky z Weizmannova Institutu bylo spíše chladné. Hlavním důvodem byla představa, že interakce mezi hostitelem a virem jsou vybroušené evolucí k dokonalosti a je tedy velmi obtížné takovouto interakci zlepšovat. Naštěstí jsem se nenechal odradit.
Navzdory všem očekáváním jsem po zhruba dvou měsících intenzivní práce vytvořil varianty RBD (RBD-62) s až 600×silnější vazbou na ACE2 receptor, které výjimečně dobře inhibují infekci v tkáňové kultuře. To, co bylo neočekávané a proč je můj výzkum tak významný, nebyla síla této vazby. Byla to šokující podobnost mezi mutacemi nacházejícími se v mnou získaných RBD s vysokou afinitou a těmi nacházejícími se ve virových variantách včetně omikronu. Výsledek mého bádání jde proti většině předchozích výzkumů, které se snažily přiřknout vznik těchto mutací tzv. immune evasion, tedy velmi zjednodušeně snaze viru utéct imunitě.
Mé experimenty však probíhaly striktně ve zkumavce, in vitro, tedy imunitní systém se na jejich vzniku podílet nemohl. Analýza molekulárních detailů zkoumané interakce pomocí kryoelektronové mikroskopie vysvětlila, proč pozorujeme vysokou prevalenci mutací na pozitivně nabité aminokyseliny – lysin a arginin. Tyto mutace, kdy dochází ke změně náboje, zvyšují tzv. elektrokompatibilitu interakce mezi RBD a ACE2 a tím i jejich afinitu. Současně takové změny mohou vézt i k zrušení vazby protilátek a virus tak získává hned dvě výhody najednou. Není tedy divu, že pozorujeme konvergentní evoluci*** těchto mutací v různých regionech a liniích viru (2). Je tedy možné teoreticky predikovat mutace, které se stanou časem dominantní, jak se nám skutečně povedlo u páru Q498R a N501Y(3).
Čím se zabýváte nyní a na co se zaměří vaše nová laboratoř?
Zabývám se možnostmi a zdokonalováním mapování budoucích mutací RBD domény a monitorováním změn, které probíhají. Mým cílem je tyto znalosti přetavit ve výhodu pro vývoj nových pokročilých vakcín a léčiv, které budou rezistentní k vzniku nových variant. Právě vznikající laboratoř bude posouvat tato témata ještě dále a zaměří se i na další podobné systémy. Bude nás například zajímat evoluční proces změny virového receptoru, který byl popsán, ale jeho detaily a pravděpodobnost takové události jsou neznámé.
Čím se budete zabývat kromě viru SARS-CoV-2?
Budeme se zabývat rozvojem a aplikací technik proteinového inženýrství na studium rozličných biologických fenoménů. Zvláště nás budou zajímat ty, které je velmi obtížné studovat klasickými metodami strukturní biologie, jako například tzv. nestrukturované proteiny. Další oblastí našeho zájmu budou proteiny imunitního systému a jejich cílený design či modulace. Pozměněním vazebných vlastností cytokinů lze například dosáhnout silnější odpovědi cílových buněk.
Závěrem chci pouze zmínit, že do své nové laboratoře hledám šikovné a motivované studenty a to od bakalářů až po postdoktoranty.
Vysvětlivky a reference:
- Zahradnik, J., Dey, D., Marciano, S., Kolarova, L., Charendoff, C.I., Subtil, A., Schreiber, G. (2021)A protein-engineered, enhancedyeast display platformfor rapid evolutionofchallengingtargets. ACS Synth. Biol. 10 (12), 3445-3460
- Zahradnik, J.,Nunvar, J., Schreiber, G. (2022)Perspectives: SARS-CoV-2 SpikeConvergentEvolution as a Guide to ExploreAdaptiveAdvantage. Frontiers Cell. Infect.Microbiol., 587
- Zahradnik, J., Marciano, S., Shemesh, M., Zoler, E., Harari, D., Chiaravalli, J., Meyer, B., Rudich, Y., Li, Ch., Marton, I., Dym, O., Elad, N., Lewis, M.G., Andersen, H., Gagne, M., Seder, R.A., Douek, D.C., Schreiber, G. (2021)SARS-CoV-2 variant prediction and antiviraldrug design are enabled by RBD in vitro evolution. Nat. Microbiol. 6, 1188–1198
*Interferony jsou malé proteinové molekuly, které dostaly své jméno podle schopnosti interferovat (bránit) virové infekci. Během své doktorské práce jsem se zabýval typem II (tzv. interferonem gamma) pod vedením prof. Bohdana Schneidera. Mé současné pracoviště na Weizmannově Institutu se specializuje na interferony typu I (interferony alfa a beta).
** Spike je největší proteinová struktura nacházející se na povrchu koronavirové částice. Jeho jméno je odvozeno od charakteristického tvaru virových partikul na snímcích z elektronového mikroskopu, které jsou posety velkými výběžky – trny (anglicky spike). Hlavní rolí Spike proteinu je zprostředkovat vnik koronaviru do buněk hostitele.
*** Konvergentní evoluce je jev, kdy se nepříbuzné druhy vyvíjejí stejným způsobem. Jako jednoduchý příklad lze uvést podobnost mezi rybami a kytovci. V případě SARS-CoV-2 se jedná o konvergentní evoluci na molekulární úrovni. Nepříbuzné linie viru získávají stejné mutace, které jim poskytují adaptivní výhodu. Za tento fenomén je zodpovědný stejný selekční tlak, který na ně působí.