Biokjemiske og strukturelle bevis viser at omicron mutasjoner er bedre tilpasset mus ACE2 enn til human ACE2

Biokjemiske og strukturelle bevis viser at omicron mutasjoner er bedre tilpasset mus ACE2 enn til human ACE2

I en fersk studie publisert i PNAS Forskere viste det strukturelle grunnlaget for hvordan omicron-mutasjoner nestet seg i reseptorbindingsdomenet (RBD) tilpasset museangiotensin-konverterende enzym 2 (ACE2) i stedet for humant ACE2.

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

bakgrunn

Det er mye spekulasjoner om kilden til den bekymringsfulle Omicron-varianten (VOC) av alvorlig akutt respiratorisk syndrom coronavirus 2 (SARS-CoV-2), men eksperimentelle bevis er knappe. Det plutselige utseendet og den raske spredningen har reist spørsmål om dyrereservoaret.

Noen få aminosyrerester skiller den prototypiske RBD fra RBD av flaggermuskoronavirus. Omicron BA.2 RBD skiller seg fra den prototypiske RBD med 16 rester, med syv nestet i reseptorbindingsmotivet (RBM) og direkte i kontakt med ACE2.

Om studiet

I denne studien fant forskerne de evolusjonære sporene av omicron RBM-mutasjoner. De undersøkte ACE2-gjenkjenning av RBD av omicron, med fokus på mutasjoner Q493R, Q498R, N501Y og Y505H, som omgir to mutasjonshotspots, hotspot-31 eller hotspot-353.

Forskerne brukte stedsrettet mutagenese for å syntetisere genet som koder for SARS-CoV-2-prototypene S, hACE2 og mACE2. Deretter brukte de en overflateplasmonresonansanalyse (SPR) for å måle bindingsinteraksjonene mellom RBD-er og ACE2-molekyler. For å bekrefte SPR-dataene, gjennomførte teamet også en Omicron pseudovirus-inngangstest. De pakket Omicron-pseudovirus med fire omvendte mutasjoner (Q493R, Q498R, N501Y og Y505H) før de infiserte mACE2-uttrykkende celler.

Til slutt bestemte teamet krystallstrukturen til Omicron RBD i kompleks med mus ACE2 ved 2,84 Å.

Studieresultater

Selv om den prototypiske SARS-CoV-2 ikke effektivt infiserte mus, hadde andre tidligere SARS-CoV-2 VOC fra mennesker og andre dyrearter utviklet N501Y-mutasjonen for å lette SARS-CoV-2s bruk av mACE2-reseptoren. Videre er det bare mus som har asparagin (Asn31) og histidin (His353) i ACE2-sekvensen, noe som tyder på at Omicron utviklet seg i mus.

SPR-analysen viste at den prototypiske RBD ikke bandt mACE2, mens Omicron RBD bandt mACE2 med god affinitet. Å introdusere de omvendte mutasjonene R493Q, R498Q, Y501N og H505Y i RBD av omicron reduserte bare litt mACE2-binding. I tillegg identifiserte studien Q493R, Q498R og Y505H RBM-mutasjoner som er strukturelt spesifikt tilpasset mACE2, noe som tyder på at disse mutasjonene var de evolusjonære sporene etterlatt av Omicron.

Det er sannsynligvis det som skjedde under utviklingen av SARS-CoV-2: En SARS-CoV-2-variant som inneholder N501Y-mutasjonen spredte seg fra mennesker eller en annen dyreart til mus. Senere, da denne varianten spredte seg i mus, utviklet musespesifikke RBM-mutasjoner (f.eks. Q493R, Q498R og Y505N), noe som bidro til fremveksten av Omicron VOC. ACE2-sekvensene til noen rottearter inneholder også Asn31 eller His353. I tillegg til mennesker kan Omicron ha blitt overført til andre arter hvis ACE2 inneholdt virusbindende motiver (VBM)-rester som er kompatible med Omicron RBD.

Det kimære Omicron RBD-kimære mACE2-komplekset avslørte de omfattende interaksjonene mellom Omicron RBM og mACE2-virusbindingsmotivene (VBMs). Hotspot-31 stabiliserer kjernen av RBM/VBMs-grensesnittet, der lysin-31 og glutaminsyre35-VBM-rester danner en hydrogenbinding med glutamin493. I mACE2 er rest 31 et asparagin og erstatter Lys31 i hACE2. Dermed danner Arg493 i RBM to todelte hydrogenbindinger med Asn31-VBM i grensesnittet mellom Omicron RBM og muse-VBM-er, og stabiliserer dermed RBM/VBM-grensesnittet og øker affiniteten til Omicron RBD for mACE2. Totalt sett var Omicron-mutasjonen Q493R rundt hotspot-31 strukturelt tilpasset Asn31 i mACE2.

Konklusjoner

De nåværende studiedataene viste at Omicron RBD var godt tilpasset mus ACE2 før den begynte å infisere mennesker. Forskerne brukte biokjemiske og strukturelle bevis for å vise at mus forenklet utviklingen av Omicron VOC, og ga sårt tiltrengt innsikt i den evolusjonære opprinnelsen til SARS-CoV-2. Disse funnene vil også lette epidemiologisk overvåking av SARS-CoV-2 hos dyr som mus og rotter for å belyse den evolusjonære historien til SARS-CoV-2 og forhindre fremtidige koronaviruspandemier.

Referanse:

• 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.