Τα βιοχημικά και δομικά στοιχεία δείχνουν ότι οι μεταλλάξεις όμικρον προσαρμόζονται καλύτερα στο ACE2 ποντικού παρά στο ανθρώπινο ACE2

Τα βιοχημικά και δομικά στοιχεία δείχνουν ότι οι μεταλλάξεις όμικρον προσαρμόζονται καλύτερα στο ACE2 ποντικού παρά στο ανθρώπινο ACE2

Σε πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο PNAS Οι ερευνητές έδειξαν τη δομική βάση για το πώς οι μεταλλάξεις του μικρών φωλιάστηκαν στον τομέα δέσμευσης υποδοχέα (RBD) προσαρμόστηκαν στο ένζυμο μετατροπής της αγγειοτενσίνης ποντικού 2 (ACE2) αντί στο ανθρώπινο ACE2.

Studie: Strukturelle Grundlage für die Erkennung von Mausrezeptoren durch die Omicron-Variante von SARS-CoV-2. Bildnachweis: Naeblys/Shutterstock

φόντο

Υπάρχουν πολλές εικασίες σχετικά με την πηγή της ανησυχητικής παραλλαγής Omicron (VOC) του σοβαρού οξέος αναπνευστικού συνδρόμου του κορωνοϊού 2 (SARS-CoV-2), αλλά τα πειραματικά στοιχεία είναι σπάνια. Η ξαφνική εμφάνισή του και η ταχεία εξάπλωσή του έχουν εγείρει ερωτήματα σχετικά με τη δεξαμενή των ζώων του.

Μερικά υπολείμματα αμινοξέων διακρίνουν το πρωτότυπο RBD από το RBD των κοροναϊών της νυχτερίδας. Το Omicron BA.2 RBD διαφέρει από το πρωτότυπο RBD κατά 16 υπολείμματα, με επτά να είναι φωλιασμένα μέσα στο μοτίβο δέσμευσης υποδοχέα (RBM) και να έρχονται σε άμεση επαφή με το ACE2.

Σχετικά με τη μελέτη

Στην παρούσα μελέτη, οι ερευνητές ανακάλυψαν τα εξελικτικά ίχνη μεταλλάξεων του Omicron RBM. Εξέτασαν την αναγνώριση ACE2 του RBD του omicron, εστιάζοντας στις μεταλλάξεις Q493R, Q498R, N501Y και Y505H, οι οποίες περιβάλλουν δύο hotspot μετάλλαξης, το hotspot-31 ή το hotspot-353.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τοποκατευθυνόμενη μεταλλαξογένεση για να συνθέσουν το γονίδιο που κωδικοποιεί τα πρωτότυπα S, hACE2 και mACE2 του SARS-CoV-2. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν μια δοκιμασία συντονισμού επιφανειακού πλασμονίου (SPR) για να μετρήσουν τις αλληλεπιδράσεις δέσμευσης μεταξύ των RBD και των μορίων ACE2. Για να επιβεβαιώσει τα δεδομένα SPR, η ομάδα διεξήγαγε επίσης ένα τεστ εισόδου ψευδοϊού Omicron. Συσκεύασαν ψευδοϊούς Omicron με τέσσερις αντίστροφες μεταλλάξεις (Q493R, Q498R, N501Y και Y505H) πριν μολύνουν κύτταρα που εκφράζουν mACE2.

Τέλος, η ομάδα προσδιόρισε την κρυσταλλική δομή του Omicron RBD σε σύμπλοκο με ACE2 ποντικού στα 2,84 Å.

Αποτελέσματα μελέτης

Αν και ο πρωτότυπος SARS-CoV-2 δεν μόλυνε αποτελεσματικά ποντίκια, άλλα προηγούμενα SARS-CoV-2 VOC από ανθρώπους και άλλα ζωικά είδη είχαν εξελίξει τη μετάλλαξη N501Y για να διευκολύνουν τη χρήση του υποδοχέα mACE2 από τον SARS-CoV-2. Επιπλέον, μόνο τα ποντίκια έχουν ασπαραγίνη (Asn31) και ιστιδίνη (His353) στην αλληλουχία ACE2 τους, υποδηλώνοντας ότι το Omicron εξελίχθηκε σε ποντίκια.

Η ανάλυση SPR έδειξε ότι το πρωτότυπο RBD δεν δέσμευε το mACE2, ενώ το Omicron RBD δέσμευσε το mACE2 με καλή συγγένεια. Η εισαγωγή των αντίστροφων μεταλλάξεων R493Q, R498Q, Y501N και H505Y στο RBD του omicron μείωσε ελαφρώς τη δέσμευση του mACE2. Επιπλέον, η μελέτη εντόπισε μεταλλάξεις Q493R, Q498R και Y505H RBM που είναι δομικά ειδικά προσαρμοσμένες στο mACE2, υποδηλώνοντας ότι αυτές οι μεταλλάξεις ήταν τα εξελικτικά ίχνη που άφησε ο Omicron.

Είναι πιθανό αυτό που συνέβη κατά την εξέλιξη του SARS-CoV-2: Μια παραλλαγή SARS-CoV-2 που περιέχει τη μετάλλαξη N501Y εξαπλώθηκε από τον άνθρωπο ή άλλο είδος ζώων στα ποντίκια. Αργότερα, καθώς αυτή η παραλλαγή εξαπλώθηκε σε ποντίκια, αναπτύχθηκαν ειδικές μεταλλάξεις RBM για ποντίκια (π.χ. Q493R, Q498R και Y505N), συμβάλλοντας στην εμφάνιση του Omicron VOC. Οι αλληλουχίες ACE2 ορισμένων ειδών αρουραίων περιέχουν επίσης Asn31 ή His353. Εκτός από τον άνθρωπο, το Omicron μπορεί να έχει μεταδοθεί σε άλλα είδη των οποίων το ACE2 περιείχε υπολείμματα μοτίβων σύνδεσης ιού (VBM) συμβατά με το Omicron RBD.

Το χιμαιρικό σύμπλοκο Omicron RBD-χιμαιρικό mACE2 αποκάλυψε τις εκτεταμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ του Omicron RBM και των μοτίβων σύνδεσης του ιού mACE2 (VBMs). Το Hotspot-31 σταθεροποιεί τον πυρήνα της διεπαφής RBM/VBMs, όπου τα υπολείμματα λυσίνης-31 και γλουταμινικού οξέος35-VBM σχηματίζουν δεσμό υδρογόνου με τη γλουταμίνη493. Στο mACE2, το υπόλειμμα 31 είναι μια ασπαραγίνη και αντικαθιστά το Lys31 στο hACE2. Έτσι, το Arg493 στο RBM σχηματίζει δύο διακλαδισμένους δεσμούς υδρογόνου με το Asn31-VBM στη διεπιφάνεια μεταξύ του Omicron RBM και του VBM ποντικού, σταθεροποιώντας έτσι τη διεπαφή RBM/VBMs και αυξάνοντας τη συγγένεια του Omicron RBD για το mACE2. Συνολικά, η μετάλλαξη Omicron Q493R που περιβάλλει το hotspot-31 προσαρμόστηκε δομικά στο Asn31 στο mACE2.

συμπεράσματα

Τα δεδομένα της τρέχουσας μελέτης έδειξαν ότι το Omicron RBD ήταν καλά προσαρμοσμένο στο ACE2 ποντικού προτού καν αρχίσει να μολύνει τους ανθρώπους. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν βιοχημικά και δομικά στοιχεία για να δείξουν ότι τα ποντίκια διευκόλυναν την ανάπτυξη του Omicron VOC, παρέχοντας την απαραίτητη εικόνα για την εξελικτική προέλευση του SARS-CoV-2. Αυτά τα ευρήματα θα διευκολύνουν επίσης την επιδημιολογική επιτήρηση του SARS-CoV-2 σε ζώα όπως τα ποντίκια και οι αρουραίοι για να αποσαφηνιστεί η εξελικτική ιστορία του SARS-CoV-2 και να αποφευχθούν μελλοντικές πανδημίες κορωνοϊού.

Αναφορά:

• Strukturelle Grundlage für die Erkennung von Mausrezeptoren durch die Omicron-Variante von SARS-CoV-2, Wei Zhang, Ke Shi, Qibin Geng, Gang Ye, Hideki Aihara und Fang Li, PNAS 2022, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2206509119.