Białko X i chromatyna HBV – jak eksperymentalny lek onkologiczny może pomóc w walce z wirusem zapalenia wątroby typu B

W poszukiwaniu odpowiedzi na trwającą od dziesięcioleci biologiczną zagadkę dotyczącą tego, w jaki sposób wirus zapalenia wątroby typu B (HBV) jest w stanie zainicjować zakażenie komórek wątroby, zespół naukowców z Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSK), Weill Cornell Medicine oraz Uniwersytetu Rockefellera odkrył słaby punkt wirusa, który może otworzyć drogę do nowych metod leczenia.

Badaczom udało się zahamować zdolność wirusa do zakażania ludzkich hepatocytów w warunkach laboratoryjnych, wykorzystując związek chemiczny, który jest już testowany w badaniach klinicznych jako lek przeciwnowotworowy. Wyniki tego przełomowego badania, opublikowane 20 lutego w prestiżowym czasopiśmie „Cell”, stanowią podstawę do przeprowadzenia dalszych badań na modelach zwierzęcych oraz do ewentualnego opracowania nowego leku.

Zapalenie wątroby typu B to infekcja wirusowa, która dotyka blisko 5% światowej populacji. Prowadzi do długotrwałych uszkodzeń komórek wątrobowych i jest jedną z głównych przyczyn rozwoju raka wątrobowokomórkowego. Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), ponad 250 milionów ludzi na świecie cierpi na przewlekłe zakażenie HBV, a wirus odpowiada za ponad milion zgonów rocznie, co czyni go drugą najgroźniejszą infekcją na świecie pod względem liczby ofiar śmiertelnych.

Kierownikiem badań była dr Yael David, biolog chemiczny z MSK, we współpracy z dr. Robertem Schwartz’em, hepatologiem i wirusologiem z Weill Cornell Medicine oraz dr. Vivianą Riscą z Uniwersytetu Rockefellera.

„Projekt ten zrodził się z naszej podstawowej ciekawości dotyczącej tego, jak wyglądają i funkcjonują chromosomy wirusa. Ostatecznie doprowadził nas on do niespodziewanych odkryć na temat mechanizmów, które umożliwiają HBV zakażenie ludzkich komórek” – mówi dr David.

Pierwszym autorem publikacji jest dr Nicholas Prescott, który prowadził badania w laboratorium dr David w ramach swojej rozprawy doktorskiej. „To doskonały przykład tego, jak inwestowanie w badania podstawowe i eksploracja fundamentalnych pytań biologicznych może otworzyć drogę do postępu medycznego” – podkreśla Prescott. „Zawsze myślałem, że będę pracować nad zagadnieniami, które dopiero za kilkadziesiąt lat ktoś może przywołać, pisząc o przełomowym leku na jakąś chorobę. Nigdy bym nie przypuszczał, że poprowadzę projekt, który zidentyfikuje tak obiecującego kandydata na lek w walce z globalnym zagrożeniem, jakim jest wirus zapalenia wątroby typu B”.

Biologiczny paradoks, który zapoczątkował współpracę

Badania te rozpoczęły się od przypadkowego spotkania i próby rozwiązania odwiecznego paradoksu.

Dr Schwartz, profesor nadzwyczajny medycyny w Zakładzie Gastroenterologii i Hepatologii na Weill Cornell Medicine, poznał dr David około sześć lat temu podczas spotkania naukowego dla wykładowców Szkoły Podyplomowej Fizjologii, Biofizyki i Biologii Systemowej Weill Cornell, gdzie oboje prowadzą działalność naukową.

„Na pierwszy rzut oka nasze dziedziny badań wydawały się nie mieć ze sobą nic wspólnego” – wspomina dr David. „On bada wirusa zapalenia wątroby typu B, podczas gdy moje laboratorium koncentruje się na mechanizmach regulacji ekspresji genów poprzez epigenetykę. Zaintrygowało mnie jednak odkrycie, że wirusy, takie jak HBV, potrafią przejmować mechanizmy epigenetyczne gospodarza, wykorzystując ludzkie białka odpowiedzialne za upakowanie DNA do kontrolowania swojej aktywności”.

Wkrótce potem dr Prescott, wówczas doktorant w ramach Tri-Institutional PhD Program in Chemical Biology, miał rozpocząć badania w laboratorium dr David w Instytucie Sloan Kettering. „Jego zainteresowanie epigenetyczną regulacją u patogenów od razu skłoniło mnie do uznania HBV za idealny model badawczy dla jego projektu” – mówi dr David.

Kluczowy punkt zainteresowania badaczy stanowił wirusowy gen kodujący białko X. Jest ono niezbędne do zainicjowania produktywnej infekcji oraz ekspresji genów wirusa w komórkach gospodarza. Co więcej, gen X jest zakodowany w genomie samego wirusa, co stanowiło zagadkę dla naukowców.

„Pojawia się tutaj klasyczne pytanie z serii „co było pierwsze – jajko czy kura?”, które od dekad nurtuje badaczy” – tłumaczy dr David. „Jak wirus produkuje wystarczającą ilość białka X, aby napędzić ekspresję swoich genów i rozpocząć infekcję?”

Dodatkowo, gen kodujący białko X jest uważany za onkogen wirusa HBV – gen, który sprzyja rozwojowi nowotworu. Dr Prescott wyjaśnia, że białko X degraduje białka gospodarza odpowiedzialne za naprawę DNA. Z jednej strony uniemożliwia to komórkom zainfekowanym wyciszenie aktywności genu X, a z drugiej prowadzi do nagromadzenia błędów DNA przez lata, co zwiększa ryzyko powstania raka wątrobowokomórkowego.

Wyzwania związane z obecnymi metodami leczenia zapalenia wątroby typu B

„Jednym z głównych problemów w leczeniu zapalenia wątroby typu B jest to, że dostępne obecnie terapie są w stanie zahamować replikację wirusa, ale nie eliminują go całkowicie z zakażonych komórek. W efekcie wirus pozostaje uśpiony w wątrobie, co prowadzi do utrzymania przewlekłej infekcji” – wyjaśnia dr Robert Schwartz, którego zespół wniósł do badań kluczową wiedzę biologiczną i kliniczną na temat HBV, a także dostarczył modele ludzkich komórek wątrobowych wykorzystywane w eksperymentach.

Szczepionka przeciwko HBV jest skuteczna, jednak utrzymanie odporności często wymaga dawek przypominających. Co więcej, nie pomaga ona osobom, które już zostały zakażone. Takie zakażenia często mają miejsce np. podczas transmisji wirusa z matki na dziecko, co jest powszechne w krajach rozwijających się. Dodatkowo, dostęp do szczepień i leczenia w niektórych regionach Afryki i Azji, gdzie wskaźnik zakażeń jest szczególnie wysoki, pozostaje ograniczony.

Budowa nowej platformy do badania wirusa HBV

Rozszyfrowanie tajemnicy białka X było poważnym wyzwaniem – tłumaczy dr Nicholas Prescott, obecnie pracujący jako badacz podoktorski w Laboratorium Biologii Chromosomów i Komórek na Uniwersytecie Rockefellera. Dotychczasowe narzędzia badawcze nie pozwalały na precyzyjne śledzenie tego, co dzieje się w kluczowych, początkowych godzinach infekcji HBV.

W tym miejscu kluczowa okazała się specjalistyczna wiedza zespołu dr Yael David w zakresie pakowania, odczytywania i modyfikacji DNA. Po raz pierwszy udało im się odtworzyć tzw. minichromosom HBV, rekonstytuując wirusowe DNA w kompleksie z ludzkimi histonami – białkami odpowiedzialnymi za organizację i upakowanie DNA.

„Ta platforma stała się potężnym narzędziem, które nie tylko pozwoliło nam badać biochemię wirusa, ale również szczegółowo prześledzić to, co dzieje się w krytycznych, początkowych godzinach zakażenia” – mówi dr David.

Dla białka X kluczowe jest pakowanie wirusowego DNA

Zespół badaczy ustalił, że produkcja białka X wymaga specyficznego upakowania DNA wirusa zapalenia wątroby typu B w kompleksy DNA-histon, nazywane nukleosomami. Nukleosomy można porównać do koralików nanizanych na nić – nicią jest wirusowe DNA, a koralikami histony dostarczane przez komórkę gospodarza, wokół których owijane jest DNA. Nukleosomy są podstawowym elementem chromatyny, czyli struktury budującej chromosomy.

Właśnie na tym etapie projektu kluczowe stało się zaangażowanie dr Viviany Riscy z Uniwersytetu Rockefellera. Jej zespół specjalizuje się w badaniu trójwymiarowej architektury genomu oraz tego, w jaki sposób upakowanie DNA reguluje transkrypcję genów. Naukowcy dysponowali narzędziami pozwalającymi upewnić się, że to, co obserwowali w nowo opracowanej platformie laboratoryjnej, rzeczywiście odzwierciedlało procesy zachodzące podczas infekcji w ludzkim organizmie.

„Według powszechnie przyjętej wiedzy, upakowanie DNA genu w nukleosomy zazwyczaj blokuje lub spowalnia możliwość odczytu tego genu i produkcji białek, takich jak białko X” – tłumaczy dr Risca. „Jednak w przypadku organizmów wyższych, takich jak człowiek, oraz wirusów, które je infekują, regulacja genów często jest bardziej złożona. Obecność oraz położenie nukleosomów na DNA mogą decydować o tym, które geny zostaną przepisane na RNA i doprowadzą do powstania białek. Odkryliśmy, że w przypadku genu X wirusa HBV, obecność nukleosomów na wirusowym DNA jest absolutnie niezbędna do transkrypcji RNA, a tym samym do syntezy funkcjonalnego białka X.”

Identyfikacja obiecującego kandydata na lek przeciwko HBV

Odkrycie naukowców otworzyło nowe możliwości zrozumienia, w jaki sposób regulowany jest gen X oraz jak wirus HBV inicjuje i utrzymuje infekcję w komórkach wątrobowych. Co więcej, badacze natrafili na potencjalną szansę terapeutyczną: zakłócenie formowania struktur chromatynowych mogłoby uniemożliwić wirusowi rozpoczęcie i podtrzymanie zakażenia.

Zespół przetestował pięć małocząsteczkowych związków chemicznych, które są znane z tego, że zakłócają proces formowania chromatyny. Spośród nich tylko jeden – kandydat na lek przeciwnowotworowy o nazwie CBL137 – skutecznie zablokował produkcję białka X w ludzkich komórkach wątroby.

Co istotne, CBL137 działał w bardzo niskich stężeniach – wielokrotnie niższych niż te, które otrzymywali uczestnicy badań klinicznych nad nowotworami. Dawki skuteczne wobec HBV były tak niskie, że wpływały na wirusa, nie wywołując toksycznych efektów w komórkach ludzkich.

„To dało nam dużą nadzieję na możliwość opracowania terapii, która będzie skuteczna, a jednocześnie pozwoli uniknąć lub przynajmniej ograniczyć skutki uboczne” – mówi dr Yael David.

„Jeśli wyniki te zostaną potwierdzone w kolejnych badaniach, jesteśmy optymistycznie nastawieni co do tego, że podejście to mogłoby zostać wykorzystane po raz pierwszy do leczenia przewlekłych zakażeń HBV – a co za tym idzie, mogłoby stanowić potencjalne lekarstwo” – dodaje dr Robert Schwartz.

Badacze zauważają również, że CBL137 może okazać się użyteczny nie tylko w terapii HBV, ale także w leczeniu lub badaniach nad innymi wirusami DNA, które tworzą chromatynę, takimi jak herpeswirusy (np. wirus opryszczki) oraz wirusy brodawczaka ludzkiego (HPV).

Kolejne kroki w badaniach

Aby doprowadzić do ewentualnych badań klinicznych, kolejnym etapem będzie ocena bezpieczeństwa i skuteczności CBL137 w badaniach na modelach zwierzęcych. Naukowcy zwracają jednak uwagę, że badania te są trudne, ponieważ HBV infekuje tylko ograniczoną liczbę gatunków.

Wszyscy badacze podkreślają, że przeprowadzenie tych badań nie byłoby możliwe bez ścisłej współpracy trzech instytucji: Memorial Sloan Kettering Cancer Center, Weill Cornell Medicine oraz Uniwersytetu Rockefellera. Wspólne działania umożliwiły wykorzystanie zarówno specjalistycznej wiedzy, jak i nowoczesnych technologii – od mikroskopii sił atomowych (AFM) w MSK, po Centrum Zasobów Genomiki oraz Klaster Obliczeniowy Wysokiej Wydajności na Uniwersytecie Rockefellera.

„Uważam, że to znakomity przykład tego, co sprawia, że Tri-I (Tri-Institutional Program) jest tak wyjątkowym miejscem do prowadzenia badań naukowych” – mówi dr Nicholas Prescott, którego badania były finansowane przez prestiżowy grant F99/K00 przyznawany przez National Cancer Institute. Program ten wspiera obiecujących naukowców zarówno w trakcie studiów doktoranckich, jak i w początkowym okresie pracy podoktorskiej, pomagając im w osiągnięciu samodzielności naukowej.

„Bez wkładu wszystkich zaangażowanych laboratoriów te badania po prostu nie mogłyby się udać. Kiedy przyszło do wyboru miejsca na mój staż podoktorski, pomyślałem: ‘Po co miałbym stąd odchodzić?’” – podsumowuje dr Prescott.

Źródło: Cell, Memorial Sloan Kettering Cancer Center, Weill Cornell Medicine, The Rockefeller University
DOI: 10.1016/j.cell.2025.01.033