对抗流感:在原子层面研究病毒

一台巨型磁铁正在揭示甲型流感病毒如何变异以抵抗药物

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由于流感现在对其两种最常见的药物产生抗药性,医生和药物开发商越来越困惑如何治疗这种病毒。一台900兆赫的磁铁正在提供一些新的线索。佛罗里达州立大学和杨百翰大学的生物化学家使用一台40吨重的磁铁获得了该病毒的原子级图像,不仅证实了这种病菌是如何逃避免疫的,还揭示了新药的潜在途径。

这项研究的重点是甲型流感,这种病毒是导致大流行毒株的罪魁祸首,更具体地说,是该病毒的一种表面蛋白,称为M2,它在繁殖中起着重要作用。抗病毒药物金刚烷胺和金刚乙胺多年来是应用最广泛的抗甲型流感病毒药物,它们像浴缸塞子一样堵塞了M2通路,阻止了病毒繁殖。然而,多年来,M2形状的变化使其能够绕过这些塞子,避免被清除;2006年,美国疾病控制与预防中心建议不要使用这两种药物。尽管耐药的一般机制已经为人所知一段时间了,但M2究竟是如何发挥作用的却不太清楚。

这台大型磁铁提供了病毒的内部视图,很像磁共振成像可以用来观察我们的肢体和器官内部。这种方法被称为固态核磁共振波谱法,它提供的图像类似于MRI,但存在关键差异。MRI扫描过程中产生的磁场使水分子中的氢原子旋转成一条直线。由此产生的图像——膝盖、大脑、肿瘤——是分子恢复正常电荷时的快照;不同的组织以不同的速度“自旋衰减”。但M2蛋白存在于疏水的细胞膜上,使得MRI扫描不可能进行。NMR波谱法产生的带电场可以使氢以外的元素旋转,从而可以对不在水介质中生存的蛋白质进行成像。此外,样品可以冷冻,使得对像M2这样的滑溜蛋白质的观察变得更容易。

通过专注于氮原子,佛罗里达州立大学的蒂莫西·A·克罗斯和他的同事们能够准确地确定M2是如何发挥作用的。他们发现,这种蛋白质的形状像一个两端都有孔的通道,必须在酸性环境下激活才能发挥作用。两种氨基酸——组氨酸和色氨酸——启动了这个过程:组氨酸将质子从宿主细胞带入病毒内部,色氨酸充当门,当质子到达时摆动打开。质子通过M2孔的通道是病毒得以繁殖的原因。


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根据最近在《科学》杂志上发表的研究结果,M2的机制是完全独特的,这对药物开发商来说可能是个好消息。“也许我们可以设计一种专门针对这种[新型]化学的药物,”克罗斯说,他指出,病毒对M2的依赖可能会使针对这种特殊药物的变异变得困难。

克罗斯和他的团队正在筛选针对该病毒的化合物,但尚未确定重要的候选药物。

杰西卡·瓦普纳是一位科学记者。她是《墙病》(2020年)和《费城染色体》(2014年)的作者,这两本书均由The Experiment出版。瓦普纳住在纽约州北部。

更多作者:杰西卡·瓦普纳
大众科学杂志 第304卷 第2期本文最初以“对抗流感:在原子层面研究病毒”为标题发表于《大众科学杂志》第304卷第2期(
doi:10.1038/scientificamerican022011-ovgFzHVXMVGlrNzyWvP2Y
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