Dowody biochemiczne i strukturalne pokazują, że mutacje omikronów są lepiej przystosowane do mysiego ACE2 niż do ludzkiego ACE2

Dowody biochemiczne i strukturalne pokazują, że mutacje omikronów są lepiej przystosowane do mysiego ACE2 niż do ludzkiego ACE2

W niedawnym badaniu opublikowanym w PNAS Naukowcy pokazali strukturalne podstawy sposobu, w jaki mutacje omikronów zagnieżdżone w domenie wiążącej receptor (RBD) dostosowywały się do mysiego enzymu konwertującego angiotensynę 2 (ACE2), a nie ludzkiego ACE2.

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

tło

Istnieje wiele spekulacji na temat źródła niepokojącego wariantu Omicron (VOC) wirusa 2 ciężkiego ostrego zespołu oddechowego (SARS-CoV-2), ale dowody eksperymentalne są nieliczne. Jego nagłe pojawienie się i szybkie rozprzestrzenianie się zrodziło pytania dotyczące jego zwierzęcego rezerwuaru.

Kilka reszt aminokwasowych odróżnia prototypowy RBD od RBD koronawirusów nietoperzy. Omicron BA.2 RBD różni się od prototypowego RBD 16 resztami, z czego siedem jest zagnieżdżonych w motywie wiążącym receptor (RBM) i bezpośrednio styka się z ACE2.

O badaniu

W niniejszym badaniu badacze odzyskali ewolucyjne ślady mutacji omicron RBM. Zbadali rozpoznawanie przez ACE2 RBD omikronu, koncentrując się na mutacjach Q493R, Q498R, N501Y i Y505H, które otaczają dwa gorące punkty mutacji, hotspot-31 i hotspot-353.

Naukowcy wykorzystali mutagenezę ukierunkowaną do syntezy genu kodującego prototypy SARS-CoV-2 S, hACE2 i mACE2. Następnie wykorzystali test powierzchniowego rezonansu plazmonowego (SPR) do pomiaru interakcji wiązania między RBD i cząsteczkami ACE2. Aby potwierdzić dane SPR, zespół przeprowadził również test wejściowy pseudowirusa Omicron. Przed zainfekowaniem komórek wykazujących ekspresję mACE2 spakowali pseudowirusy Omicron z czterema odwrotnymi mutacjami (Q493R, Q498R, N501Y i Y505H).

Na koniec zespół określił strukturę krystaliczną Omicron RBD w kompleksie z mysim ACE2 przy 2,84 Å.

Wyniki badań

Chociaż prototypowy SARS-CoV-2 nie infekował skutecznie myszy, inne wcześniejsze LZO SARS-CoV-2 pochodzące od ludzi i innych gatunków zwierząt wyewoluowały mutację N501Y, aby ułatwić wykorzystanie receptora mACE2 przez SARS-CoV-2. Co więcej, tylko myszy mają asparaginę (Asn31) i histydynę (His353) w sekwencji ACE2, co sugeruje, że Omicron wyewoluował u myszy.

Test SPR wykazał, że prototypowy RBD nie wiązał mACE2, podczas gdy Omicron RBD wiązał mACE2 z dobrym powinowactwem. Wprowadzenie odwrotnych mutacji R493Q, R498Q, Y501N i H505Y do RBD omikronu tylko nieznacznie zmniejszyło wiązanie mACE2. Ponadto w badaniu zidentyfikowano mutacje Q493R, Q498R i Y505H RBM, które są strukturalnie specyficznie przystosowane do mACE2, co sugeruje, że mutacje te były śladami ewolucyjnymi pozostawionymi przez Omicron.

Jest prawdopodobne, co wydarzyło się podczas ewolucji SARS-CoV-2: wariant SARS-CoV-2 zawierający mutację N501Y przeniósł się z ludzi lub innego gatunku zwierząt na myszy. Później, gdy ten wariant rozprzestrzenił się u myszy, rozwinęły się specyficzne dla myszy mutacje RBM (np. Q493R, Q498R i Y505N), przyczyniając się do pojawienia się LZO Omicron. Sekwencje ACE2 niektórych gatunków szczurów zawierają także Asn31 lub His353. Oprócz ludzi, Omicron mógł zostać przeniesiony na inne gatunki, których ACE2 zawierało reszty motywów wiążących wirusa (VBM) zgodne z Omicron RBD.

Chimeryczny kompleks Omicron RBD-chimeryczne mACE2 ujawnił rozległe interakcje pomiędzy Omicron RBM i motywami wiążącymi wirusa mACE2 (VBM). Hotspot-31 stabilizuje rdzeń interfejsu RBM/VBM, gdzie reszty lizyny-31 i kwasu glutaminowego35-VBM tworzą wiązanie wodorowe z glutaminą493. W mACE2 reszta 31 to asparagina i zastępuje Lys31 w hACE2. Zatem Arg493 w RBM tworzy dwa rozwidlone wiązania wodorowe z Asn31-VBM na styku między Omicron RBM i mysimi VBM, stabilizując w ten sposób interfejs RBM/VBM i zwiększając powinowactwo Omicron RBD do mACE2. Ogólnie rzecz biorąc, mutacja Omicron Q493R otaczająca hotspot-31 strukturalnie dostosowana do Asn31 w mACE2.

Wnioski

Aktualne dane z badania wykazały, że Omicron RBD był dobrze przystosowany do mysiego ACE2, zanim jeszcze zaczął zakażać ludzi. Naukowcy wykorzystali dowody biochemiczne i strukturalne, aby wykazać, że myszy ułatwiły rozwój LZO Omicron, zapewniając bardzo potrzebny wgląd w ewolucyjne pochodzenie SARS-CoV-2. Odkrycia te ułatwią również nadzór epidemiologiczny SARS-CoV-2 u zwierząt, takich jak myszy i szczury, w celu wyjaśnienia historii ewolucji SARS-CoV-2 i zapobiegania przyszłym pandemiom koronaawirusa.

Odniesienie:

• 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.