Biochemické a štrukturálne dôkazy ukazujú, že omikrónové mutácie sú lepšie prispôsobené myšaciemu ACE2 ako ľudskému ACE2

Biochemické a štrukturálne dôkazy ukazujú, že omikrónové mutácie sú lepšie prispôsobené myšaciemu ACE2 ako ľudskému ACE2

V nedávnej štúdii publikovanej v PNAS Výskumníci ukázali štrukturálny základ toho, ako sa omikrónové mutácie uhniezdili v doméne viažucej receptor (RBD) prispôsobenej skôr myšaciemu enzýmu konvertujúcemu angiotenzín 2 (ACE2) než ľudskému ACE2.

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

pozadia

Existuje veľa špekulácií o zdroji znepokojujúceho omikrónového variantu (VOC) závažného akútneho respiračného syndrómu koronavírusu 2 (SARS-CoV-2), ale experimentálnych dôkazov je málo. Jeho náhly výskyt a rýchle rozšírenie vyvolali otázky o jeho zvieracom rezervoári.

Niekoľko aminokyselinových zvyškov odlišuje prototyp RBD od RBD netopierích koronavírusov. Omicron BA.2 RBD sa líši od prototypu RBD v 16 zvyškoch, pričom sedem je vnorených do motívu viazania receptora (RBM) a priamo kontaktuje ACE2.

O štúdiu

V tejto štúdii výskumníci získali evolučné stopy omikrónových mutácií RBM. Skúmali ACE2 rozpoznávanie RBD omikrónu so zameraním na mutácie Q493R, Q498R, N501Y a Y505H, ktoré obklopujú dva aktívne body mutácie, hotspot-31 alebo hotspot-353.

Vedci použili miestne cielenú mutagenézu na syntézu génu, ktorý kóduje prototypy SARS-CoV-2 S, hACE2 a mACE2. Ďalej použili test povrchovej plazmónovej rezonancie (SPR) na meranie väzbových interakcií medzi RBD a molekulami ACE2. Na potvrdenie údajov SPR tím vykonal aj vstupný test pseudovírusu Omicron. Pred infikovaním buniek exprimujúcich mACE2 zabalili pseudovírusy Omicron so štyrmi reverznými mutáciami (Q493R, Q498R, N501Y a Y505H).

Nakoniec tím určil kryštálovú štruktúru Omicron RBD v komplexe s myšou ACE2 pri 2,84 Á.

Výsledky štúdie

Hoci prototyp SARS-CoV-2 účinne neinfikoval myši, iné predchádzajúce VOC SARS-CoV-2 od ľudí a iných živočíšnych druhov vyvinuli mutáciu N501Y, aby sa uľahčilo použitie receptora mACE2 SARS-CoV-2. Okrem toho iba myši majú vo svojej sekvencii ACE2 asparagín (Asn31) a histidín (His353), čo naznačuje, že Omicron sa vyvinul u myší.

SPR test ukázal, že prototyp RBD neviazal mACE2, zatiaľ čo Omicron RBD viazal mACE2 s dobrou afinitou. Zavedenie reverzných mutácií R493Q, R498Q, Y501N a H505Y do RBD omikrónu len mierne znížilo väzbu mACE2. Okrem toho štúdia identifikovala mutácie Q493R, Q498R a Y505H RBM, ktoré sú štrukturálne špecificky prispôsobené mACE2, čo naznačuje, že tieto mutácie boli evolučnými stopami, ktoré zanechal Omicron.

Je pravdepodobné, že to, čo sa stalo počas vývoja SARS-CoV-2: Variant SARS-CoV-2 obsahujúci mutáciu N501Y sa rozšíril z ľudí alebo iného živočíšneho druhu na myši. Neskôr, keď sa tento variant rozšíril u myší, vyvinuli sa myšie špecifické mutácie RBM (napr. Q493R, Q498R a Y505N), ktoré prispeli k vzniku Omicron VOC. ACE2 sekvencie niektorých druhov potkanov tiež obsahujú Asn31 alebo His353. Okrem ľudí sa Omicron mohol preniesť aj na iné druhy, ktorých ACE2 obsahoval zvyšky vírusových väzbových motívov (VBM) kompatibilné s Omicron RBD.

Chimérický komplex Omicron RBD-chimérický mACE2 odhalil rozsiahle interakcie medzi Omicron RBM a väzbovými motívmi vírusu mACE2 (VBM). Hotspot-31 stabilizuje jadro rozhrania RBM/VBMs, kde zvyšky lyzín-31 a kyselina glutámová35-VBM tvoria vodíkovú väzbu s glutamínom493. V mACE2 je zvyšok 31 asparagín a nahrádza Lys31 v hACE2. Arg493 v RBM teda tvorí dve rozvetvené vodíkové väzby s Asn31-VBM na rozhraní medzi Omicron RBM a myšími VBM, čím stabilizuje rozhranie RBM / VBM a zvyšuje afinitu Omicron RBD k mACE2. Celkovo sa mutácia Omicron Q493R obklopujúca hotspot-31 štrukturálne prispôsobila Asn31 v mACE2.

Závery

Údaje zo súčasnej štúdie ukázali, že Omicron RBD bol dobre prispôsobený myšaciemu ACE2 ešte predtým, ako začal infikovať ľudí. Výskumníci použili biochemické a štrukturálne dôkazy, aby ukázali, že myši uľahčili vývoj Omicron VOC, čo poskytuje veľmi potrebný prehľad o evolučnom pôvode SARS-CoV-2. Tieto zistenia by tiež uľahčili epidemiologický dohľad nad SARS-CoV-2 u zvierat, ako sú myši a potkany, s cieľom objasniť evolučnú históriu SARS-CoV-2 a zabrániť budúcim pandémiám koronavírusov.

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.