Biokemijski i strukturni dokazi pokazuju da su mutacije omikrona bolje prilagođene mišjem ACE2 nego ljudskom ACE2

Biokemijski i strukturni dokazi pokazuju da su mutacije omikrona bolje prilagođene mišjem ACE2 nego ljudskom ACE2

U nedavnoj studiji objavljenoj u PNAS Istraživači su pokazali strukturnu osnovu za to kako su se mutacije omikrona ugniježđene u domenu vezanja receptora (RBD) prilagodile mišjem angiotenzin-konvertirajućem enzimu 2 (ACE2), a ne ljudskom ACE2.

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

pozadina

Puno se nagađa o izvoru zabrinjavajuće Omicron varijante (VOC) teškog akutnog respiratornog sindroma koronavirusa 2 (SARS-CoV-2), ali eksperimentalni dokazi su rijetki. Njegova iznenadna pojava i brzo širenje potaknuli su pitanja o njegovom životinjskom rezervoaru.

Nekoliko aminokiselinskih ostataka razlikuje prototip RBD od RBD-a koronavirusa šišmiša. Omicron BA.2 RBD razlikuje se od prototipskog RBD-a po 16 ostataka, od kojih je sedam ugniježđeno unutar motiva vezanja receptora (RBM) i izravno je u kontaktu s ACE2.

O studiju

U ovoj studiji istraživači su otkrili evolucijske tragove mutacija omicron RBM. Ispitali su ACE2 prepoznavanje RBD-a omikrona, fokusirajući se na mutacije Q493R, Q498R, N501Y i Y505H, koje okružuju dvije žarišne točke mutacije, žarišnu točku-31 ili žarišnu točku-353.

Istraživači su upotrijebili mutagenezu usmjerenu na mjesto kako bi sintetizirali gen koji kodira SARS-CoV-2 prototipove S, hACE2 i mACE2. Zatim su upotrijebili analizu površinske plazmonske rezonancije (SPR) za mjerenje interakcija vezanja između RBD-ova i ACE2 molekula. Kako bi potvrdili SPR podatke, tim je također proveo test ulaska pseudovirusa Omicron. Pakirali su pseudoviruse Omicron s četiri obrnute mutacije (Q493R, Q498R, N501Y i Y505H) prije nego što su zarazili stanice koje eksprimiraju mACE2.

Konačno, tim je odredio kristalnu strukturu Omicron RBD-a u kompleksu s mišjim ACE2 na 2,84 Å.

Rezultati studije

Iako prototip SARS-CoV-2 nije učinkovito zarazio miševe, drugi prethodni SARS-CoV-2 HOS-ovi iz ljudi i drugih životinjskih vrsta razvili su mutaciju N501Y kako bi SARS-CoV-2 olakšao korištenje mACE2 receptora. Nadalje, samo miševi imaju asparagin (Asn31) i histidin (His353) u svojoj ACE2 sekvenci, što sugerira da je Omicron evoluirao kod miševa.

SPR analiza pokazala je da prototipski RBD nije vezao mACE2, dok je Omicron RBD vezao mACE2 s dobrim afinitetom. Uvođenje obrnutih mutacija R493Q, R498Q, Y501N i H505Y u RBD omikrona samo je malo smanjilo vezanje mACE2. Osim toga, studija je identificirala Q493R, Q498R i Y505H RBM mutacije koje su strukturno specifično prilagođene mACE2, što sugerira da su te mutacije evolucijski tragovi koje je ostavio Omicron.

Vjerojatno je ono što se dogodilo tijekom evolucije SARS-CoV-2: varijanta SARS-CoV-2 koja sadrži mutaciju N501Y proširila se s ljudi ili drugih životinjskih vrsta na miševe. Kasnije, kako se ova varijanta proširila u miševima, razvile su se RBM mutacije specifične za miševe (npr. Q493R, Q498R i Y505N), što je pridonijelo pojavi Omicron VOC. ACE2 sekvence nekih vrsta štakora također sadrže Asn31 ili His353. Osim na ljude, Omicron se možda prenio i na druge vrste čiji je ACE2 sadržavao ostatke vezajućih motiva virusa (VBM) koji su kompatibilni s Omicron RBD.

Himerni kompleks Omicron RBD-kimerni mACE2 otkrio je opsežne interakcije između Omicron RBM i mACE2 virusnih veznih motiva (VBM). Hotspot-31 stabilizira jezgru RBM/VBMs sučelja, gdje ostaci lizina-31 i glutaminske kiseline35-VBM tvore vodikovu vezu s glutaminom493. U mACE2, ostatak 31 je asparagin i zamjenjuje Lys31 u hACE2. Stoga Arg493 u RBM-u formira dvije bifurkirane vodikove veze s Asn31-VBM na sučelju između Omicron RBM-a i mišjih VBM-ova, čime se stabilizira RBM/VBMs sučelje i povećava afinitet Omicron RBD-a za mACE2. Sveukupno, Omicron mutacija Q493R koja okružuje žarišnu točku-31 strukturno je prilagođena Asn31 u mACE2.

Zaključci

Trenutačni podaci studije pokazali su da je Omicron RBD bio dobro prilagođen mišjem ACE2 prije nego što je uopće počeo zaraziti ljude. Istraživači su upotrijebili biokemijske i strukturalne dokaze kako bi pokazali da su miševi omogućili razvoj Omicron VOC-a, pružajući prijeko potreban uvid u evolucijsko podrijetlo SARS-CoV-2. Ova bi otkrića također olakšala epidemiološki nadzor nad SARS-CoV-2 kod životinja kao što su miševi i štakori kako bi se razjasnila evolucijska povijest SARS-CoV-2 i spriječile buduće pandemije koronavirusa.

Referenca:

• 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.