Новая статья, опубликованная в Nature Communications , добавляет дополнительные доказательства теории брадикининового шторма вирусного патогенеза COVID-19. теория, которая была выдвинута два года назад группой исследователей из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики.

В разгар пандемии системный биолог ORNL Дэн Джейкобсон и его команда использовали суперкомпьютер ORNL Summit для анализа данных экспрессии генов в клетках легких пациентов с COVID-19. Их исследование показало, что гены, связанные с некоторыми системами организма, которые отвечают за контроль артериального давления, баланса жидкости и воспаления, по-видимому, чрезмерно нарушены или нарушены в клетках легких инфицированных вирусом. В статье, опубликованной в eLife , команда предсказала, что перепроизводство брадикинина -; соединение, расширяющее сосуды и делающее их проницаемыми – ; может быть источником симптомов COVID-19, таких как чрезмерное накопление жидкости в легких, утомляемость, тошнота и снижение когнитивных функций.

Эта теория была дополнительно подтверждена в новом исследовании, проведенном Джейкобсоном и его коллегами из отделов биологических наук, вычислительных наук и инженерии ORNL и отдела нейтронного рассеяния в сотрудничестве с Соити Вакацуки, профессором фотонной науки в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Стэнфордского университета. Команда Вакацуки смогла экспериментально доказать, что основная протеаза вируса, 3CLpro, связывается с основным модулятором NF-kB, или NEMO. Последующее расщепление NEMO означает, что он нарушает регуляцию NF-κB, который представляет собой белковый комплекс, помогающий регулировать реакцию иммунной системы на инфекцию; и его дисрегуляция может способствовать брадикининовому шторму, как и предсказывала модель патогенеза группы ORNL.

«Это кульминация большой работы, проделанной с разных точек зрения», — сказал Джейкобсон. «Мы группа по биологии вычислительных систем, поэтому наша предыдущая работа действительно основывалась на крупномасштабном анализе данных. Теперь вся эта вычислительная работа переносится в «мокрую» лабораторию для создания новых наборов данных для подтверждения активности ферментов и структурных взаимодействий. Это невероятно интересно видеть, как все эти линии доказательств собираются вместе, а затем подтверждаются; что все, что предсказывала наша предыдущая работа, на самом деле верно».

В SLAC команда Вакацуки смогла использовать вирусные белки 3CLpro (произведенные старшим научным сотрудником ORNL Андреем Ковалевским) и пептиды для представления сайтов расщепления в NEMO. Затем команда использовала рентгеновскую кристаллографию, чтобы показать структурное взаимодействие между ними. Кроме того, команда ORNL под руководством бывшего исследователя ORNL Стефани Галани смогла биохимически показать, что 3CLpro может расщеплять NEMO в физиологически значимых концентрациях.

Теперь у нас есть доказательства атомистического уровня и биохимия, подтверждающая гипотезу о том, что он связывается и расщепляется именно так, как мы ожидали».

Дэн Джейкобсон, системный биолог ORNL

Это межлабораторное сотрудничество в ORNL и SLAC было осуществлено через Национальную виртуальную биотехнологическую лабораторию, или NVBL, программу Министерства энергетики, финансируемую Законом о помощи, помощи и экономической безопасности в связи с коронавирусом в 2020 году, которая поощряла национальные лаборатории в борьбе с COVID-19. Вакацуки и Джейкобсон встретились после того, как Джейкобсон выступил на одной из виртуальных сессий NVBL и попросил сотрудников помочь доказать его теорию брадикининового шторма с помощью экспериментов по структурной биологии.

NutriBiotic, Immunity, аскорбат натрия, кристаллический порошок, 227 г (8 унций)

«Мы искали людей, которые могли бы сделать этот следующий шаг вместе с нами, и Соичи заговорил на одной из встреч и сказал: «Да, пойдем». И вот мы сейчас с хорошим высокоэффективным документом. Я думаю, что это реальное преимущество совместного подхода, над которым NVBL работало вместе с национальными лабораториями, и я хотел бы видеть больше этого», — сказал Джейкобсон.

В рамках этих усилий биолог по вычислительным системам ORNL Эрика Пратес, в то время исследователь с докторской степенью, а ныне начинающий сотрудник отдела биологических наук, координировала команду, в которую входили Омар Демердаш, Джули Митчелл и Стефан Ирле из ORNL. Они провели обширную работу по молекулярной динамике на Summit, используя как квантовую механику, так и методы машинного обучения, чтобы изучить сродство связывания NEMO и 3CLpro у людей и других видов, а также рассмотреть структурные модели, полученные из последовательностей других коронавирусов .

«Эрика играет важную роль в том, что мы называем структурной системной биологией, чтобы объединить вычислительные усилия в области системной биологии и структурной биологии», — сказал Якобсон.

Исследование этой группы приведет к лучшему пониманию воздействия различных вирусов, в том числе зоонозных заболеваний, которые являются человеческими заболеваниями, происходящими от животных, на разные виды хозяев. Эти знания будут иметь жизненно важное значение для прогнозирования или даже предотвращения следующей пандемии.

«Наша работа с COVID продолжается, но большая часть нашего внимания сместилась на профилактику пандемии», — сказал Джейкобсон. «У нас есть новое финансирование, полученное в сотрудничестве с рядом других учреждений для исследований, которые действительно сосредоточены на динамической профилактике и пытаются понять правила зооноза и последствия, например, климатических изменений и того, как они вызывают новые зоонозные побочные эффекты. .»

Джейкобсон и его коллеги сотрудничают с Университетом Джона Хопкинса, Корнелльского университета и другими для проведения широкого спектра полевых исследований и анализов для анализа взаимодействий между вирусными белками и белками-хозяевами, создавая наборы данных, необходимые для вычислительных моделей, которые будут делать предсказания вирусов в разных странах. целые ряды видов.

«Почему вирусы счастливо живут в некоторых видах непатогенно, но становятся патогенами, когда происходит распространение зооноза? Как они прыгают между разными видами хозяев и остаются непатогенными, пока не поразят людей?» — сказал Джейкобсон. «Правила зооноза очень плохо изучены, и у нас есть действительно интересная работа, в которой мы строим прогностические модели, чтобы понять переменные в окружающей среде, которые могут привести к этим побочным явлениям».

Исследование групп также частично финансировалось Программой направленных исследований и разработок ORNL, которая поддерживала концептуальную работу по расщеплению NEMO на животных моделях патологии COVID-19. В этой работе использовались пользовательские средства Управления науки Министерства энергетики США, включая вычислительный центр Oak Ridge Leadership Computing Facility, источник нейтронов расщепления и высокопоточный изотопный реактор, все в ORNL, а также Стэнфордский источник синхротронного излучения в SLAC.

Финансирование концептуализации патогенеза человека было предоставлено за счет гранта Национального института здравоохранения.