研究室での実験は、COVID-19 のウイルス病因のブラジキニン ストーム理論にさらなる証拠を追加します



Nature Communications に掲載された新しい論文は、COVID-19 のウイルス病因のブラジキニン ストーム理論にさらなる証拠を追加します。 エネルギー省のオークリッジ国立研究所の研究者チームが 2 年前に提唱した理論です。

パンデミックの最盛期に、ORNL のシステム生物学者であるダン ジェイコブソンと彼のチームは、ORNL の Summit スーパーコンピューターを使用して、COVID-19 患者の肺細胞の遺伝子発現データを分析しました。 彼らの研究は、ウイルスに感染した人の肺細胞において、血圧、体液バランス、および炎症の制御に関与する体のシステムの一部に関連する遺伝子が過度に調節不全または損なわれているように見えることを示唆しました. eLife に掲載された論文で、チームはブラジキニンの過剰生産を予測しました。 血管を拡張し、透過性にする化合物 -; 肺への体液の過剰な蓄積、疲労、吐き気、認知機能の低下など、COVID-19 の症状の原因となる可能性があります。

その理論は、スタンフォード大学の SLAC 国立加速器研究所の光子科学の教授である若月壮一と共同で、ORNL のバイオサイエンス、計算科学および工学、中性子散乱部門のジェイコブソンと彼の同僚によって実施された新しい研究でさらに支持されています。 若月のチームは、ウイルスの主要なプロテアーゼである 3CLpro が NF-κB Essential Modulator (NEMO) に結合することを実験的に証明することができました。 その後の NEMO の切断は、感染に対する免疫系の応答の調節を助けるタンパク質複合体である NF-κB の調節不全を意味します。 そしてその調節不全は、ORNL チームの病因モデルが予測したように、ブラジキニン ストームの一因となる可能性があります。

「これは、さまざまな角度から行われた多くの作業の集大成です」とジェイコブソンは言いました。 「私たちは計算システム生物学のグループなので、これまでの研究は大規模なデータ分析に基づいていました。これにより、すべての計算作業がウェット ラボに取り込まれ、酵素活性と構造的相互作用を確認するための新しいデータセットが生成されます。これは信じられないほど素晴らしいことです。これらすべての一連の証拠が集まって検証されるのを見るのはエキサイティングです-;これまでの研究で予測されていたことが実際に真実であるということです。」

SLAC で、若槻のチームは、viral3CLpro タンパク質 (ORNL 上級科学者 Andrey Kovalevsky によって作成された) とペプチドを使用して、NEMO の切断部位を表すことができました。 次に、チームは X 線結晶構造解析を使用して、2 つの間の構造的相互作用を示しました。 さらに、ORNL の元研究者 Stephanie Galanie が率いる ORNL のチームは、3CLpro が生理学的に適切な濃度で NEMO を切断できることを生化学的に示すことができました。

現在、原子レベルの証拠と生化学があり、期待どおりに結合して切断するという仮説を確認しています。」


Dan Jacobson、ORNL システム生物学者

ORNL と SLAC でのこのクロスラボ コラボレーションは、2020 年のコロナウイルス援助、救済および経済安全保障法によって資金提供された DOE プログラムである National Virtual Biotechnology Laboratory (NVBL) を通じて実現され、COVID-19 との戦いで国立ラボを奨励しました。 若槻とジェイコブソンが出会ったのは、ジェイコブソンが NVBL バーチャル セッションの 1 つでピッチを行い、構造生物学の実験を通じて彼のブラジキニン ストーム理論を証明するのを手伝ってくれる協力者を求めた後です。

「私たちは、この次のステップを一緒にやってくれる人を探しに行きました。その会議の 1 つで、宗一は率直に言って、『はい、行きましょう』と言いました。 そして今、私たちは素晴らしいインパクトのある論文を手に入れました.これは、NVBLが国立研究所に協力させた共同アプローチの真の利点であると思います,そして私はそれをもっと見たいと思っています.

この取り組みの一環として、当時ポスドク研究員であり、現在はバイオサイエンス部門の初期のキャリア スタッフ メンバーである ORNL 計算システム生物学者 Erica Prates は、ORNL の Omar Demerdash、Julie Mitchell、Stephan Irle を含むチームを調整しました。 彼らは、量子力学と機械学習手法の両方を使用して、ヒトや他の種における NEMO と 3CLpro の結合親和性を調べ、他のコロナウイルスの配列に由来する構造モデルを検討することにより、Summit で広範な分子動力学研究を実施しました。

「エリカは、私たちが構造システム生物学と呼んでいるものにおいて重要な役割を果たしており、システム生物学と構造生物学の分野における計算上の取り組みを橋渡ししています」とジェイコブソンは言いました。

このチームの研究は、さまざまな宿主種における、動物に由来する人間の病気である人獣共通感染症を含むさまざまなウイルスの影響をよりよく理解することにつながります。 この知識は、次のパンデミックを予測または防止するために不可欠です。

「私たちのCOVIDへの取り組みは続いていますが、私たちの焦点の大部分はパンデミックの予防に移っています」とジェイコブソンは言いました. 「私たちは、ダイナミックな予防に真に焦点を当て、人畜共通感染症のルールと気候変動の影響、そしてそれらが新しい人獣共通感染症の波及イベントをどのように引き起こしているかを理解しようとする研究のために、他の多くの機関と協力して新しい資金を獲得しました。 .”

ジェイコブソンと彼の同僚は、ジョンズ・ホプキンス大学、コーネル大学などと提携して、ウイルスタンパク質と宿主タンパク質の間の相互作用を分析するための幅広いフィールド研究とアッセイを実施し、全体でウイルス予測を行う計算モデルに必要なデータセットを作成しています。種の全範囲。

「なぜウイルスは一部の種では非病原性で幸せに暮らしているのに、人獣共通感染症のスピルオーバーが発生すると病原体になるのでしょうか?ウイルスはどのようにして異なる宿主種の間を行き来し、人間に感染するまで非病原性を保つのでしょうか?」 ジェイコブソンは言った。 「人獣共通感染症の背後にあるルールはほとんど理解されていません。私たちは、これらのスピルオーバー イベントにつながる可能性のある環境の変数を理解するための予測モデルを構築するという、非常にエキサイティングな作業を進めています。」

チームの研究は、COVID-19 病理学の動物モデルにおける NEMO 切断に関する概念的な作業をサポートする ORNL の研究所主導の研究開発プログラムからも部分的に資金提供されました。 この作業は、すべて ORNL のオークリッジ リーダーシップ コンピューティング施設、破砕中性子源、高フラックス同位体原子炉、SLAC のスタンフォード シンクロトロン放射光源など、DOE 科学局のユーザー施設を使用しました。

人間の病因の概念化のための資金は、国立衛生研究所からの助成金によって提供されました。

ソース:

オークリッジ国立研究所

ジャーナルの参照:

Hameedi、マサチューセッツ州、他。 (2022) SARS-CoV-2 3CLpro による NEMO 切断の構造的および機能的特徴付け。 ネイチャー・コミュニケーションズ。 doi.org/10.1038/s41467-022-32922-9.



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