Biokémiai és szerkezeti bizonyítékok azt mutatják, hogy az omikron mutációk jobban alkalmazkodnak az egér ACE2-hez, mint a humán ACE2-hez

Biokémiai és szerkezeti bizonyítékok azt mutatják, hogy az omikron mutációk jobban alkalmazkodnak az egér ACE2-hez, mint a humán ACE2-hez

Egy nemrégiben megjelent tanulmányban PNAS A kutatók megmutatták annak szerkezeti alapjait, hogy a receptorkötő doménben (RBD) beágyazott omikron mutációk hogyan alkalmazkodtak az egér angiotenzin-konvertáló 2-es enziméhez (ACE2), nem pedig a humán ACE2-hez.

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

háttér

Sok spekuláció folyik a súlyos akut légúti szindróma koronavírus 2 (SARS-CoV-2) aggasztó Omicron-variánsának (VOC) forrásáról, de a kísérleti bizonyítékok alig állnak rendelkezésre. Hirtelen megjelenése és gyors terjedése kérdéseket vetett fel állattározójával kapcsolatban.

Néhány aminosavmaradék különbözteti meg a prototípusos RBD-t a denevér koronavírusok RBD-jétől. Az Omicron BA.2 RBD 16 aminosavban különbözik a prototipikus RBD-től, és hét a receptorkötő motívumban (RBM) van beágyazva, és közvetlenül érintkezik az ACE2-vel.

A tanulmányról

A jelen tanulmányban a kutatók megtalálták az omikron RBM mutációk evolúciós nyomait. Megvizsgálták az omikron RBD-jének ACE2 felismerését, a Q493R, Q498R, N501Y és Y505H mutációkra összpontosítva, amelyek két mutációs hotspotot vesznek körül, a hotspot-31 vagy a hotspot-353.

A kutatók helyspecifikus mutagenezist alkalmaztak a SARS-CoV-2 S, hACE2 és mACE2 prototípusát kódoló gén szintézisére. Ezt követően felületi plazmonrezonancia (SPR) vizsgálatot alkalmaztak az RBD-k és az ACE2-molekulák közötti kötődési kölcsönhatások mérésére. Az SPR adatok megerősítésére a csapat egy Omicron pszeudovírus belépési tesztet is végzett. Az Omicron pszeudovírusokat négy reverz mutációval (Q493R, Q498R, N501Y és Y505H) csomagolták, mielőtt megfertőzték volna a mACE2-t expresszáló sejteket.

Végül a csapat meghatározta az Omicron RBD kristályszerkezetét az egér ACE2-vel komplexben 2,84 Å-nél.

Tanulmányi eredmények

Bár a prototipikus SARS-CoV-2 nem fertőzte meg hatékonyan az egereket, más korábbi, emberből és más állatfajokból származó SARS-CoV-2 VOC-k kifejlesztették az N501Y mutációt, hogy megkönnyítsék a SARS-CoV-2 által a mACE2 receptor használatát. Ezenkívül csak az egerek ACE2 szekvenciájában található aszparagin (Asn31) és hisztidin (His353), ami arra utal, hogy az Omicron egérben fejlődött ki.

Az SPR vizsgálat kimutatta, hogy a prototipikus RBD nem kötődött a mACE2-hez, míg az Omicron RBD jó affinitással kötötte a mACE2-t. Az R493Q, R498Q, Y501N és H505Y reverz mutációk bejuttatása az omikron RBD-ébe csak kis mértékben csökkentette a mACE2 kötődést. Ezenkívül a tanulmány olyan Q493R, Q498R és Y505H RBM mutációkat azonosított, amelyek szerkezetileg specifikusan alkalmazkodtak a mACE2-hez, ami arra utal, hogy ezek a mutációk az Omicron által hagyott evolúciós nyomok.

Valószínűleg ez történt a SARS-CoV-2 evolúciója során: Az N501Y mutációt tartalmazó SARS-CoV-2 variáns emberről vagy más állatfajról egerekre terjedt. Később, ahogy ez a variáns elterjedt az egerekben, egérspecifikus RBM mutációk (például Q493R, Q498R és Y505N) alakultak ki, ami hozzájárult az Omicron VOC megjelenéséhez. Egyes patkányfajok ACE2-szekvenciája Asn31-et vagy His353-at is tartalmaz. Az embereken kívül az Omicron más fajokra is átterjedhetett, amelyek ACE2-je az Omicron RBD-vel kompatibilis víruskötő motívumokat (VBM) tartalmazott.

A kiméra Omicron RBD-kiméra mACE2 komplex feltárta az Omicron RBM és a mACE2 víruskötő motívumok (VBM) közötti kiterjedt kölcsönhatásokat. A Hotspot-31 stabilizálja az RBM/VBM interfész magját, ahol a lizin-31 és a glutaminsav35-VBM maradékok hidrogénkötést képeznek a glutaminnal493. A mACE2-ben a 31-es aminosav egy aszparagin, és a Lys31-et helyettesíti a hACE2-ben. Így az Arg493 az RBM-ben két bifurkált hidrogénkötést képez az Asn31-VBM-mel az Omicron RBM és az egér VBM-ek közötti interfészen, ezáltal stabilizálja az RBM/VBM interfészt, és növeli az Omicron RBD affinitását a mACE2-hez. Összességében a hotspot-31-et körülvevő Q493R Omicron mutáció szerkezetileg alkalmazkodott az Asn31-hez a mACE2-ben.

Következtetések

A jelenlegi vizsgálati adatok azt mutatták, hogy az Omicron RBD jól alkalmazkodott az egér ACE2-hez, mielőtt elkezdte volna megfertőzni az embereket. A kutatók biokémiai és szerkezeti bizonyítékokat használtak fel annak kimutatására, hogy az egerek elősegítették az Omicron VOC kifejlesztését, ami nagyon szükséges betekintést nyújt a SARS-CoV-2 evolúciós eredetébe. Ezek az eredmények megkönnyítenék a SARS-CoV-2 járványügyi megfigyelését állatokon, például egereken és patkányokon, hogy tisztázzák a SARS-CoV-2 evolúciós történetét és megelőzzék a jövőbeni koronavírus-járványokat.

Referencia:

• 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.