Biokemialliset ja rakenteelliset todisteet osoittavat, että omikronimutaatiot sopeutuvat paremmin hiiren ACE2:een kuin ihmisen ACE2:een

Biokemialliset ja rakenteelliset todisteet osoittavat, että omikronimutaatiot sopeutuvat paremmin hiiren ACE2:een kuin ihmisen ACE2:een

Äskettäin julkaistussa tutkimuksessa PNAS Tutkijat osoittivat rakenteellisen perustan sille, kuinka reseptoria sitovaan domeeniin (RBD) sisäkkäiset omikronimutaatiot mukautuivat hiiren angiotensiiniä konvertoivaan entsyymiin 2 (ACE2) ihmisen ACE2:n sijaan.

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

tausta

Vakavan akuutin hengitystieoireyhtymän koronavirus 2:n (SARS-CoV-2) huolestuttavan Omicron-variantin (VOC) lähteestä spekuloidaan paljon, mutta kokeellista näyttöä on vähän. Sen äkillinen ilmestyminen ja nopea leviäminen ovat herättäneet kysymyksiä sen eläinvarannosta.

Muutama aminohappotähde erottaa prototyyppisen RBD:n lepakoiden koronavirusten RBD:stä. Omicron BA.2 RBD eroaa prototyyppisestä RBD:stä 16 tähteellä, joista seitsemän on sisäkkäin reseptorin sitomismotiivin (RBM) sisällä ja jotka ovat suoraan kosketuksessa ACE2:n kanssa.

Tietoja tutkimuksesta

Tässä tutkimuksessa tutkijat löysivät omikronisten RBM-mutaatioiden evoluution jäljet. He tutkivat Omikronin RBD:n ACE2:n tunnistamista keskittyen mutaatioihin Q493R, Q498R, N501Y ja Y505H, jotka ympäröivät kahta mutaatioaluetta, hotspot-31 tai hotspot-353.

Tutkijat käyttivät kohdennettua mutageneesiä SARS-CoV-2-prototyyppejä S, hACE2 ja mACE2 koodaavan geenin syntetisoimiseen. Seuraavaksi he käyttivät pintaplasmoniresonanssimääritystä (SPR) mittaamaan RBD:iden ja ACE2-molekyylien välisiä sitoutumisvuorovaikutuksia. SPR-tietojen vahvistamiseksi tiimi suoritti myös Omicronin pseudoviruksen tulotestin. He pakkasivat Omicron-pseudoviruksia neljällä käänteismutaatiolla (Q493R, Q498R, N501Y ja Y505H) ennen kuin infektoivat mACE2:ta ilmentävät solut.

Lopuksi ryhmä määritti Omicron RBD:n kiderakenteen kompleksina hiiren ACE2:n kanssa 2,84 Å:ssä.

Tutkimustulokset

Vaikka prototyyppinen SARS-CoV-2 ei infektoinut hiiriä tehokkaasti, muut aikaisemmat SARS-CoV-2 VOC:t ihmisistä ja muista eläinlajeista olivat kehittäneet N501Y-mutaation helpottamaan SARS-CoV-2:n mACE2-reseptorin käyttöä. Lisäksi vain hiirillä on asparagiinia (Asn31) ja histidiiniä (His353) ACE2-sekvenssissään, mikä viittaa siihen, että Omicron kehittyi hiirissä.

SPR-määritys osoitti, että prototyyppinen RBD ei sitonut mACE2:ta, kun taas Omicron RBD sitoutui mACE2:een hyvällä affiniteetilla. Käänteisten mutaatioiden R493Q, R498Q, Y501N ja H505Y lisääminen omikronin RBD:hen vähensi vain hieman mACE2:n sitoutumista. Lisäksi tutkimuksessa tunnistettiin Q493R-, Q498R- ja Y505H RBM-mutaatiot, jotka ovat rakenteellisesti spesifisesti mukautettuja mACE2:een, mikä viittaa siihen, että nämä mutaatiot olivat Omicronin jättämiä evoluution jälkiä.

Todennäköisesti se tapahtui SARS-CoV-2:n evoluution aikana: N501Y-mutaation sisältävä SARS-CoV-2-variantti levisi ihmisistä tai toisesta eläinlajista hiiriin. Myöhemmin, kun tämä variantti levisi hiirissä, kehittyi hiirispesifisiä RBM-mutaatioita (esim. Q493R, Q498R ja Y505N), mikä vaikutti Omicron VOC:n syntymiseen. Joidenkin rottalajien ACE2-sekvenssit sisältävät myös Asn31:tä tai His353:a. Ihmisten lisäksi Omicron on saattanut tarttua muihin lajeihin, joiden ACE2 sisälsi Omicronin RBD:n kanssa yhteensopivia virussidosmotiiveja (VBM).

Kimeerinen Omicron RBD-kimeerinen mACE2-kompleksi paljasti laajat vuorovaikutukset Omicron RBM:n ja mACE2-virusta sitovien motiivien (VBM) välillä. Hotspot-31 stabiloi RBM/VBM-rajapinnan ytimen, jossa lysiini-31 ja glutamiinihappo35-VBM-tähteet muodostavat vetysidoksen glutamiinin493 kanssa. mACE2:ssa tähde 31 on asparagiini ja korvaa Lys31:n hACE2:ssa. Siten RBM:ssä oleva Arg493 muodostaa kaksi kaksihaaraista vetysidosta Asn31-VBM:n kanssa Omicron RBM:n ja hiiren VBM:iden välisessä rajapinnassa, mikä stabiloi RBM/VBM-rajapinnan ja lisää Omicron RBD:n affiniteettia mACE2:lle. Kaiken kaikkiaan hotspot-31:tä ympäröivä Omicron-mutaatio Q493R mukautui rakenteellisesti Asn31:een mACE2:ssa.

Johtopäätökset

Nykyiset tutkimustiedot osoittivat, että Omicron RBD soveltui hyvin hiiren ACE2:een ennen kuin se edes alkoi tartuttaa ihmisiä. Tutkijat käyttivät biokemiallisia ja rakenteellisia todisteita osoittaakseen, että hiiret helpottavat Omicronin VOC:n kehitystä, tarjoten kipeästi kaivattua tietoa SARS-CoV-2:n evoluutionaarisesta alkuperästä. Nämä havainnot helpottaisivat myös SARS-CoV-2:n epidemiologista seurantaa eläimillä, kuten hiirillä ja rotilla, jotta voitaisiin selvittää SARS-CoV-2:n evoluutiohistoriaa ja ehkäistä tulevia koronaviruspandemioita.

Viite:

• 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.