Особенности иммунной системы лам могут стать критически важными в борьбе с COVID-19. В исследовании, опубликованном недавно в журнале Nature Structural & Molecular Biology, ученые объявили о создании двух нанотел, которые способны блокировать проникновение коронавируса SARS-CoV-2 в клетки человека.
История нанотел началась в 1989 году, когда группа ученых из Свободного университета Брюсселя исследовала иммунную систему одногорбых верблюдов и обнаружила необычный тип антител, который не встречался ранее ни у каких животных. Напомним, что антитела представляют собой молекулы белка, состоящие из четырех цепочек аминокислот, соединенных между собой дисульфидными связями так, что в целом молекула имеет форму буквы Y. Из четырех аминокислотных цепочек две называются тяжелыми, а две — легкими. Тяжелые цепочки идут по всей длине буквы Y, легкие дублируют их в раздвоенной части молекулы.
Как обнаружили Реймонд Хэмерс (Raymond Hamers) и его коллеги, у верблюдов нашлись антитела, где не было легких цепочек вообще. Об этом открытии ученые рассказали в 1993 году в журнале Nature. Позже аналогичные антитела нашлись у родственников верблюдов — лам, альпак и викуний. А затем и среди животных совсем другой группы — хрящевых рыб: пятнистого воббегонга (Orectolobus maculates), усатой акулы-няньки (Ginglymostoma cirratum) и семейства химеровых (Chimaeridae).Считается, что антитела из тяжелых цепочек (heavy-chain antibody) возникли у хрящевых рыб и верблюдовых независимо и представляют собой пример конвергентной эволюции.
Антитела из тяжелых цепочек у акул (слева), верблюдовых (в центре) в сравнении с обычным антителом — иммуноглобулином G (справа). Тяжелые аминокислотные цепочки окрашены в темный цвет, легкие — в светлый.
Антитела из тяжелых цепей стали не только интересным объектом исследования. Молекулярные биологи скоро научились получать из них антитела еще меньшего размера, уже никак не напоминающие по форме букву Y. Они представляют собой короткую молекулу из примерно 110 аминокислот. Их молекулярная масса составляет всего 12–15 килодальтанов (у обычных антител — 150–160 кДа). Поэтому их назвали нанотелами (nanobodies) или наноантителами, еще одно их название — однодоменные антитела — отражает тот факт, что у них имеется только один связывающий домен (участок молекулы, распознающий ее цель — антиген). Во многих случаях однодоменные антитела легче проникают в ткани организма. Есть исследования, в которых продемонстрирована способность таких антител преодолевать гемато-энцефалический барьер, то есть проникать из крови в мозг, что недоступно для многих других веществ. К тому же, они стабильнее обычных антител, а значит могут дольше храниться и переносить повышение температуры. Заодно небольшой размер молекул облегчает выведение из организма через почки тех наноантител, которые не связались с антигеном. Обнаружилась у нанотел и способность распознавать антигены, которая не под силу обычным антителам. Всё это делает однодоменные антитела потенциально важным инструментом диагностики и терапии.
Получают однодоменные антитела чаще всего при помощи живых верблюдов или лам, делая им инъекцию нужного антигена (например, вирусного белка) и выделяя затем их матричную (информационную) РНК, кодирующую антитела из тяжелых цепочек. Во многих случаях нанотела продуцируют генетически модифицированные соответствующим образом штаммы кишечной палочки (Saccharomyces cerevisiae) или дрожжей (Pichia pastoris). Иногда для выработки нанотел можно использовать даже трансгенные растения (табак). Существуют также подходы, когда однодоменные антитела получают из обычных четырехцепочечных антител.
Если в молекулу нанотела добавить элементы, позволяющие определить ее нахождение, то можно использовать эти антитела для диагностики. Такими элементами могут быть, например, короткоживующие радиоизотопы (и тогда их обнаружит позитронно-эмиссионная томография), микропузырьки (их выявит ультразвуковое исследование) или флуоресцентные белки (для оптической томографии). Диагностические нанотела могут быть нацелены на специфические белки, связанные с ростом разных опухолей. Соединив нанотела с веществом, флуоресцирующим в ближнем инфракрасном диапазоне, ученые смогли прямо в ходе хирургической операции определять границы опухоли и метастазов. Способность нанотел распознавать формы бета-амилоида дает возможность использовать их при диагностике болезни Альцгеймера.
Ведутся исследования и по использованию нанотел в лечении бактериальных и вирусных заболеваний. Их высокая способность к распространению в сочетании с относительной легкостью производства (например, в дрожжевых культурах) делает их хорошими кандидатами для лечения ряда инфекций, например, для борьбы с бактериями Mycoplasma hominis, Helicobacter pylori, Clostridium difficile или вирусом гриппа H5N1, ВИЧ, ящура или герпеса HSV-2. К тому же, антитела будут связываться только с выбранным видом бактерий, тогда как антибиотики уничтожают всех бактерий. Компания Ablynx в бельгийском Генте (с 2018 года стала подразделением крупной фармкомпании Sanofi) разработала терапевтические антитела ALX-0171 для лечения респираторно-синцитиальновирусной инфекции у детей раннего возраста. Нанотело связывается с белком на поверхности вируса и не дает вирусу проникать внутрь клеток. Существуют успешные эксперименты по применению нанотел в лечении онкологических и аутоиммунных заболеваний, а также для нейтрализации токсинов (ботулиновый токсин, рицин, яды разных видов скорпионов).
Авторы нынешнего исследования во главе с Реймондом Оуэнсом (Raymond J. Owens) и Джемсом Нейсмитом (James H. Naismith) из Оксфордского университета и Института имени Розалинд Франклин решили найти нанотела, способные предотвращать заражение коронавирусом SARS-CoV-2. Этот вирус, чтобы проникнуть в клетку человека, использует рецептор-связывающий домен (RBD) гликопротеина, составляющего «шипы», на белковой оболочке вируса. Домен RBD соединяется с белком ACE2 на клеточной мембране. Авторы исследования использовали библиотеку имеющихся однодоменных антител, чтобы подобрать те из них, которые наиболее подходят для соединения с RBD. Проведя дополнительные модификации, ученые создали два нанотела, H11-D4 и H11-H4, которые связывают RBD и блокируют его взаимодействие с ACE2.
Одновременно ученые продолжают работу по созданию принципиально новых нанотел, нацеленных на RBD. «Использование иммунизации, естественной иммунной системы, для созревания высокоаффинных взаимодействий, очевидно, даст молекулы лучше всего связывающиеся [c RBD]», — говорит Оуэнс. В этой работе ученым помогает Фифи, десятилетняя самка ламы, одна из пятнадцати лам, содержащихся в Университете Рединга. Она получила инъекции очищенных белков вируса SARS-CoV-2, и теперь ученые отслеживают, какие антитела и наноантитела появляются в ее крови.
