Nowa klasa leków przeciwwirusowych wobec HSV: poznany mechanizm działania inhibitorów helikazy–primazy

Naukowcy z Harvard Medical School uzyskali kluczowe informacje na temat mechanizmu działania nowej klasy leków przeciwwirusowych, które są obecnie testowane w leczeniu zakażeń wywoływanych przez herpeswirusy.

Odkrycie to rzuca nowe światło na istotne narzędzie walki z lekoopornymi szczepami wirusa opryszczki pospolitej (herpes simplex virus, HSV) oraz wskazuje nowe kierunki terapii zakażeń wywoływanych przez herpeswirusy i inne wirusy DNA, czyli wirusy posiadające DNA jako materiał genetyczny i zdolne do replikacji wewnątrz komórek gospodarza.

Badanie, finansowane ze środków federalnych, zostało opublikowane 29 grudnia w czasopiśmie naukowym „Cell”.

Współautor badania, dr Jonathan Abraham, lekarz chorób zakaźnych w Brigham and Women’s Hospital, w swojej praktyce klinicznej wielokrotnie obserwował pacjentów z upośledzoną odpornością, u których rozwijały się niebezpieczne, lekooporne zakażenia HSV. Oporność ta może powstawać w sytuacji wielokrotnego leczenia wirusa tym samym typem leku przeciwwirusowego.

Jednocześnie Abraham jest profesorem nadzwyczajnym mikrobiologii w Harvard Medical School i zajmuje się badaniami nad tym, w jaki sposób struktura fizyczna wirusów wpływa na przebieg zakażenia, rozwój choroby oraz odpowiedź immunologiczną. To połączenie kompetencji klinicznych i podstawowych badań naukowych umożliwiło mu podjęcie problemu lekooporności HSV z unikalnej perspektywy.

Jak podkreśla Abraham, z punktu widzenia klinicysty szczególnie frustrująca jest sytuacja, w której współczesna medycyna potrafi skutecznie wyleczyć nowotwór, jednak konieczna immunosupresja naraża pacjenta na zakażenie wirusem niewrażliwym na dostępne leczenie. Z kolei jako naukowiec widzi on w tym impuls do pogłębionego poznania biologii wirusa w celu opracowania skuteczniejszych strategii terapeutycznych.

Nowa klasa leków przeciwwirusowych jest obecnie testowana w badaniach klinicznych w Stanach Zjednoczonych, a jeden z preparatów uzyskał już dopuszczenie do stosowania w Japonii. Mimo to mechanizm ich działania pozostawał w dużej mierze nieznany. Abraham i jego współpracownicy postawili sobie za cel wyjaśnienie tych mechanizmów na poziomie molekularnym.

Badania strukturalne i biofizyczne

Abraham współpracował z drugim współautorem pracy, Josephem Loparo, profesorem chemii biologicznej i farmakologii molekularnej w Harvard Medical School. Zespół wykorzystał najnowsze osiągnięcia biologii strukturalnej oraz zaawansowane techniki obrazowania, aby zbadać mechanizmy biofizyczne zachodzące podczas wiązania się nowych leków z kluczowym enzymem w cyklu życiowym HSV.

Laboratorium Abrahama skoncentrowało się na szczegółowym określeniu struktury kompleksów tworzonych przez leki i białka wirusowe, natomiast zespół Loparo analizował w czasie rzeczywistym, w jaki sposób proces wiązania prowadzi do zablokowania aktywności enzymatycznej.

Jak zaznacza Loparo, wyjątkową siłą tego badania jest połączenie obrazów strukturalnych o rozdzielczości bliskiej atomowej z dynamicznym obrazowaniem aktywnych białek wirusowych, co pozwoliło na pełniejsze zrozumienie mechanizmu hamowania replikacji wirusa.

Herpes simplex jako trudny przeciwnik kliniczny

Herpeswirusy są odpowiedzialne za liczne zakażenia, w tym ospę wietrzną, półpasiec czy mononukleozę zakaźną. Wykazano również ich związek z niektórymi nowotworami, chorobami autoimmunologicznymi oraz innymi schorzeniami przewlekłymi. Charakterystyczną cechą tej grupy wirusów jest zdolność do utrzymywania się w organizmie w stanie latentnym przez całe życie.

HSV-1 jest najczęściej kojarzony z opryszczką wargową, jednak może również prowadzić do ciężkich zakażeń ośrodkowego układu nerwowego u osób zdrowych oraz do szczególnie ciężkiego przebiegu choroby u pacjentów z niedoborami odporności.

Obecnie zatwierdzone przez FDA leki przeciwwirusowe stosowane w zakażeniach HSV-1 są ukierunkowane na wirusową polimerazę DNA, enzym odpowiedzialny za kopiowanie genomu wirusa. W ostatnich latach narasta jednak problem szczepów HSV opornych na to leczenie.

Alternatywą są leki z grupy inhibitorów helikazy–primazy (helicase-primase inhibitors, HPI), które oddziałują na inny kluczowy enzym niezbędny do replikacji herpeswirusów.

Rola helikazy i primazy w replikacji DNA wirusa

Wirusowa helikaza odpowiada za rozplatanie dwuniciowego DNA wirusa poprzez rozdzielanie splecionych nici i przekształcanie ich w jednoniciowe DNA. Proces ten umożliwia dostęp do informacji genetycznej, która następnie jest kopiowana przez polimerazę DNA.

Primaza wirusowa inicjuje natomiast syntezę krótkiego fragmentu RNA, który stanowi punkt startowy dla syntezy nowej nici DNA. Można to porównać do elementu znajdującego się u podstawy zamka błyskawicznego, który umożliwia prawidłowe zazębienie suwaka.

Inhibitory HPI zaburzają oba te procesy, skutecznie zatrzymując replikację wirusowego genomu.

Obrazowanie o wysokiej rozdzielczości

Do tej pory nie udało się uzyskać szczegółowych struktur enzymów HSV, takich jak helikaza–primaza, głównie ze względu na ich dużą ruchliwość i zmienność konformacyjną. Dopiero obecność skutecznych inhibitorów pozwoliła na „unieruchomienie” enzymu w jednej formie strukturalnej, co umożliwiło jego dokładne zobrazowanie.

Zespół badawczy wykorzystał kriogeniczną mikroskopię elektronową (cryo-EM), aby uzyskać obrazy helikazy–primazy HSV-1 związanej z kilkoma inhibitorami z rozdzielczością bliską atomowej.

Dodatkowo za pomocą cryo-EM zobrazowano interakcję helikazy–primazy z wirusową polimerazą DNA podczas replikacji genomu. Analiza struktury tego większego kompleksu może ułatwić identyfikację nowych miejsc docelowych dla leków poprzez ujawnienie właściwości fizykochemicznych obszarów podatnych na farmakologiczną ingerencję.

Dane cryo-EM zostały zebrane w Harvard Cryo-EM Center for Structural Biology w Harvard Medical School.

Od statycznych obrazów do obserwacji w czasie rzeczywistym

Obrazy cryo-EM dostarczają szczegółowych „migawek” pokazujących, w jaki sposób leki wiążą się z enzymem i blokują replikację wirusa. Aby jednak lepiej zrozumieć dynamikę tego procesu, naukowcy sięgnęli po technikę pęset optycznych.

Pęsety optyczne wykorzystują pęd fotonów z silnie skupionych wiązek laserowych do manipulowania cząsteczkami, działając niczym mikroskopijna wersja science fiction „wiązki trakcyjnej”.

W badaniach zawieszono fragment wirusowego DNA wraz z helikazą–primazą pomiędzy dwoma mikrokulkami i obserwowano pracę enzymu. Następnie wprowadzano niewielkie ilości inhibitora i analizowano, w jaki sposób dochodzi do zatrzymania procesu rozplatania DNA. Pozwoliło to na bezpośrednią obserwację pojedynczych cząsteczek helikazy oraz momentu ich zahamowania przez lek.

Jak podkreśla Loparo, nowoczesne narzędzia obrazowania umożliwiają dziś obserwację procesów biologicznych na poziomie pojedynczych cząsteczek. W tym przypadku pozwoliło to zobaczyć w czasie rzeczywistym, jak inhibitor „blokuje silnik” helikazy, prowadząc do jej zatrzymania.

Autorzy badania wyrażają nadzieję, że uzyskane wyniki przyczynią się do dalszego rozwoju leków przeciwwirusowych oraz pogłębią wiedzę umożliwiającą w przyszłości bardziej precyzyjne wykorzystywanie mechanizmów biologicznych w praktyce klinicznej.

Źródło: Cell, Mechanisms of HSV-1 helicase-primase inhibition and replication fork complex assembly
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.11.041