[282]. Такие идеи могут помочь в разработке новых ингибиторов – лекарств, которые будут мешать этим этапам и задерживать распространения вируса.
Давайте сосредоточимся на одном конкретном аспекте того, как организм борется с инфекциями. Все белки внутри клеток постоянно распадаются, особенно в клеточных подсистемах (органеллах, известных как протеасома и лизосома), и чужеродные белки ведут себя таким же образом, в том числе белки вторгшегося вируса. В конечном итоге вирусные белки расщепляются на куски, называемые пептидами, обычно длиной примерно от 8 до 10 аминокислотных остатков, которые оказываются на поверхности инфицированной клетки. Эти фрагменты важны, поскольку они предупреждают иммунную систему о вторжении в клетку.
Выдающийся подвиг: ваша иммунная система должна обнаружить иголку – пептиды захватчиков, таких как вирусы и бактерии – в стоге сена, состоящем из огромного количества собственных пептидов. Способность отличать свое от чужого, таким образом, имеет решающее значение для эффективности иммунной системы. Обнаружение инфекции сводится к распознаванию определенных аминокислотных последовательностей длиной около 10 остатков и выяснению, являются ли они продуктами распада клетки, то есть собственными пептидами, или остатками захватчика.
Чтобы превратить это понимание в модель, нам нужно определить количество белков в каждом вирусе и сколько времени требуется, чтобы разложить их на пептидные части. Этот распад можно выразить как период полураспада (промежуток времени, по истечении которого половина белков, первоначально присутствующих в образце, расщепляется), а затем время, необходимое для их сборки в новые вирусы[283]. Для производства другого инфекционного вируса необходимы вирусная РНК и вирусные белки, особенно три, известные вирусологам под короткими именами, такие как Gag, Pol и Env. Мы можем измерить скорость образования этих вирусных компонентов, а также включения их в почкующиеся вирусы. Обнадеживает тот факт, что предсказания математической модели этой части процесса, сделанные Питером и его коллегами, хорошо согласуются с измерениями, проведенными на вирусе[284].
В более ранней работе Нил Далчау из Microsoft Research в Кембридже, Англия, сотрудничал с командой Тима Эллиотта, работавшего в Университете Саутгемптона, чтобы раскрыть детали кинетики – скорости каждого этапа в процессе представления фрагментов на поверхности клетки. Первые фрагменты белка связываются с белком-переносчиком, или шапероном, называемым TAP, который находится в эндоплазматическом ретикулуме и связан с комплексом загрузки пептидов. Последний включает в себя тапасин, еще один шаперон, способствующий слиянию молекул, а также молекулы MHC I класса, часть главного комплекса гистосовместимости (MHC), который кодирует белковые механизмы на поверхности клетки, способные захватить систему утилизации клеточных отходов, чтобы обеспечить контроль их содержимого. В целом, белковые фрагменты загружаются на молекулы MHC–I, а затем передаются через аппарат Гольджи – клеточный транспортный узел – на поверхность клетки. Для моделирования эти процессы можно представить в виде связанного набора обыкновенных дифференциальных уравнений.
Питер использовал всю эту виртуальную работу с вирусами, чтобы создать математическую модель того, как ВИЧ вызывает контратаку со стороны иммунной системы человека. Работая с Нилом Далчау и аспиранткой Рут Экклстон, команда сосредоточилась на генах MHC, которые контролируют, как фрагменты пептида ВИЧ представляются иммунной системе. Молекулы, определенные MHC, организуют эквивалент опознания, выставляя антигены – кусочки практически всего, что находится внутри клетки, – на ее поверхности.
Мы знаем, что если лейкоциты – Т-клетки – обнаруживают молекулы MHC с «собственными» антигенами, они игнорируют клетку. Но если они обнаруживают чужеродные антигены, например бактерии или вирусы, они убивают клетку и клонируют себя, чтобы произвести Т-клетки, нацеленные на другие инфицированные клетки. Реальность такова, что только часть из потенциально миллиардов пептидов внутри клетки отбирается для презентации на ее поверхности, и именно этот отбор команде нужно было понять и, таким образом, предсказать, как запускается иммунный ответ.
Чтобы смоделировать этот процесс, первой задачей команды UCL-Microsoft было перевести в математическую форму детали сложного химического пути, который приводит к образованию на поверхности клетки пептидной последовательности, распознаваемой антителом, В-клеткой или Т-клеткой иммунной системы, с подробным описанием скорости каждого этапа. Обычно каскадный набор скоростных процессов может быть представлен многими десятками-сотнями шагов.
Моделирование такого рода в настоящее время уловило детали развития ВИЧ внутри клеток[285][286] наряду с оптимизацией пептидов – процессом, посредством которого MHC–I создает искаженную выборку входящего распределения пептидов для отображения на поверхности клетки[287]. Как выразился Нил Далчау: «Пептиды, представленные моими молекулами класса I, вероятно, будут сильно отличаться от пептидов, представленных вашими молекулами класса I. Естественно, это помогает нам оставаться устойчивыми к вредоносным вирусам, которые могут изменять свои белковые последовательности, чтобы избежать MHC–I»[288].
Таким образом, команда UCL-Microsoft смогла количественно описать, какие пептиды с наибольшей вероятностью предупреждают иммунную систему. Эти модели предсказывают отбор и презентацию множества копий вирусных пептидов со свойствами, которые, вероятно, сделают их видимыми для иммунной системы[289]. В изучении того, как Т-клетки реагируют на сигналы MHC с поверхности инфицированной клетки, было проделано не меньше работы. Существуют также модели реакций Т-клеток на вирусные пептиды[290].
Команда UCL-Microsoft смогла воплотить всю информацию о том, как ВИЧ вызывает иммунный ответ, в модель, которую можно было сравнить с результатами экспериментов. Каждый этап пути, от производства белка ВИЧ до презентации, представлен в виде обыкновенного дифференциального уравнения, основанного на законе действия масс. Полученную модель можно использовать для моделирования состояния клетки – инфицированной ВИЧ или нет – в результате взаимодействия между белками и небольшими молекулами, которые играют роль в сигнальных сетях иммунной системы.
Таким образом, команда UCL-Microsoft могла предсказать появление пептидов ВИЧ и показать важность пептидов на основе расщепления белков Gag – играющих центральную роль в сборке, высвобождении, созревании и функционировании вирусных частиц – в установлении продуктивной инфекции в долгосрочном контроле над ВИЧ.
Возможно, это не должно вызывать удивления, учитывая, что в каждом вирусе содержится около 4900 копий белка Gag, что делает Gag самым распространенным белком ВИЧ в инфицированных клетках. Расщепление Gag из вируса и из Gag, вновь образовавшегося во время клеточной инфекции, обеспечит повсеместное распространение полученных пептидов распада, поэтому они, скорее всего, выиграют в конкуренции за представление иммунной системе. Моделирование, проведенное с помощью модели, предсказывает, например, что обработка Gag может привести к 50 % вероятности появления фрагментов Gag на поверхности инфицированной клетки в течение трех часов после заражения. Это также наблюдается экспериментально[291]. Крайне важно: симуляции дают гораздо больше информации, чем корреляции черного ящика машинного обучения, которые могут быть полезны в определенных обстоятельствах (например, при прогнозировании того, как белки деградируют до эпитопов), но просто показывают, что если происходит X, то Y является последствием.
В последующей работе с Тимом Эллиоттом и его группой команда UCL-Microsoft смогла подтвердить некоторые из простых предсказаний модели ВИЧ-инфекции, одновременно открыв дверь для более сложных экспериментальных исследований на уровне полного иммунопептидома, всей совокупности пептидов HLA, представленных на клетке. Это требует сложных экспериментальных методов, находящихся на грани и за пределами того, что технически осуществимо сегодня[292]. Несмотря на это, виртуальные ВИЧ-инфекции становятся все более реальными.
Виртуальные Т-клетки
С момента основания в 1927 г. Школы патологии сэра Уильяма Данна в Оксфорде произошло много необычных событий: от работы по очистке и использованию пенициллина в 1941 г., повлекшей за собой революцию в лечении бактериальных инфекций, до открытия цефалоспорина в 1961 г. Иммунная система находилась в центре внимания с тех пор, как Джеймс Гованс (1924–2020) в 1959 г. показал, что лимфоциты – ключевой компонент иммунной системы – циркулируют из крови в лимфу, и ее изучение получило дальнейшее развитие, когда Германом Вальдманном в 1990-х гг. были определены механизмы иммунологической толерантности, имеющие решающее значение для успешной трансплантации.
Сегодня команда Омера Душека изучает Т-клетки, которые вырабатываются в вилочковой железе в грудной клетке между легкими и запрограммированы быть специфичными для одного конкретного чужеродного патогена. Как упоминалось ранее, они распознают чужеродные белки, так называемые антигены, в виде пептидных фрагментов и игнорируют «свои» белки. Над этим сложным процессом было проведено много работы снизу вверх. Питер и его коллеги, например, использовали молекулярно-динамическое моделирование, чтобы предсказать, как пептиды связываются с рецепторами Т-клеток – в так называемом иммунологическом синапсе – и запускают ответ