Biokemični in strukturni dokazi kažejo, da so mutacije omikrona bolje prilagojene mišjemu ACE2 kot človeškemu ACE2

Biokemični in strukturni dokazi kažejo, da so mutacije omikrona bolje prilagojene mišjemu ACE2 kot človeškemu ACE2

V nedavni študiji, objavljeni v PNAS Raziskovalci so pokazali strukturno osnovo za to, kako so se mutacije omikrona, ugnezdene v receptorsko vezavno domeno (RBD), prilagodile mišjemu angiotenzinsko pretvorbenemu encimu 2 (ACE2) namesto človeškemu ACE2.

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

ozadje

Obstaja veliko ugibanj o viru zaskrbljujoče različice omikron (VOC) hudega akutnega respiratornega sindroma koronavirus 2 (SARS-CoV-2), vendar je eksperimentalnih dokazov malo. Njegov nenaden pojav in hitro širjenje sta sprožila vprašanja o njegovem živalskem rezervoarju.

Nekaj ​​aminokislinskih ostankov razlikuje prototip RBD od RBD netopirjevih koronavirusov. Omicron BA.2 RBD se od prototipa RBD razlikuje po 16 ostankih, od katerih jih je sedem ugnezdenih znotraj motiva za vezavo receptorja (RBM) in neposredno v stiku z ACE2.

O študiju

V tej študiji so raziskovalci odkrili evolucijske sledi mutacij RBM omikrona. Preučevali so prepoznavanje ACE2 RBD omikrona, pri čemer so se osredotočili na mutacije Q493R, Q498R, N501Y in Y505H, ki obkrožajo dve mutacijski žarišči, vročo točko-31 ali vročo točko-353.

Raziskovalci so uporabili na mesto usmerjeno mutagenezo za sintezo gena, ki kodira prototipe SARS-CoV-2 S, hACE2 in mACE2. Nato so uporabili test površinske plazmonske resonance (SPR) za merjenje veznih interakcij med RBD in molekulami ACE2. Za potrditev podatkov SPR je ekipa izvedla tudi vstopni test psevdovirusa Omicron. Preden so okužili celice, ki izražajo mACE2, so zapakirali psevdoviruse Omicron s štirimi povratnimi mutacijami (Q493R, Q498R, N501Y in Y505H).

Končno je ekipa določila kristalno strukturo Omicron RBD v kompleksu z mišjim ACE2 pri 2,84 Å.

Rezultati študije

Čeprav prototip SARS-CoV-2 ni učinkovito okužil miši, so drugi prejšnji VOC SARS-CoV-2 iz ljudi in drugih živalskih vrst razvili mutacijo N501Y, da bi SARS-CoV-2 olajšali uporabo receptorja mACE2. Poleg tega imajo le miši asparagin (Asn31) in histidin (His353) v svojem zaporedju ACE2, kar nakazuje, da se je Omicron razvil pri miših.

Test SPR je pokazal, da prototipni RBD ni vezal mACE2, medtem ko je Omicron RBD vezal mACE2 z dobro afiniteto. Uvedba reverznih mutacij R493Q, R498Q, Y501N in H505Y v RBD omikrona je le rahlo zmanjšala vezavo mACE2. Poleg tega je študija identificirala mutacije Q493R, Q498R in Y505H RBM, ki so strukturno specifično prilagojene mACE2, kar kaže, da so bile te mutacije evolucijske sledi, ki jih je pustil Omicron.

Verjetno je, kaj se je zgodilo med razvojem SARS-CoV-2: Različica SARS-CoV-2, ki vsebuje mutacijo N501Y, se je s ljudi ali druge živalske vrste razširila na miši. Kasneje, ko se je ta različica razširila pri miših, so se razvile mišje specifične mutacije RBM (npr. Q493R, Q498R in Y505N), ki so prispevale k nastanku Omicron VOC. Sekvence ACE2 nekaterih vrst podgan vsebujejo tudi Asn31 ali His353. Poleg ljudi se je Omicron morda prenesel tudi na druge vrste, katerih ACE2 je vseboval ostanke virusno vezavnih motivov (VBM), združljive z Omicron RBD.

Himerni kompleks Omicron RBD-himerni mACE2 je razkril obsežne interakcije med Omicron RBM in motivi za vezavo virusa mACE2 (VBM). Hotspot-31 stabilizira jedro vmesnika RBM/VBM, kjer ostanki lizina-31 in glutaminske kisline35-VBM tvorijo vodikovo vez z glutaminom493. V mACE2 je ostanek 31 asparagin in nadomešča Lys31 v hACE2. Tako Arg493 v RBM tvori dve bifurkirani vodikovi vezi z Asn31-VBM na vmesniku med Omicron RBM in mišjimi VBM, s čimer stabilizira vmesnik RBM/VBM in poveča afiniteto Omicron RBD za mACE2. Na splošno je mutacija Omicron Q493R, ki obdaja vročo točko-31, strukturno prilagojena Asn31 v mACE2.

Sklepi

Trenutni podatki študije so pokazali, da je bil Omicron RBD dobro prilagojen mišjemu ACE2, preden je sploh začel okuževati ljudi. Raziskovalci so uporabili biokemične in strukturne dokaze, da bi pokazali, da so miši olajšale razvoj Omicron VOC, kar je zagotovilo prepotreben vpogled v evolucijski izvor SARS-CoV-2. Te ugotovitve bi tudi olajšale epidemiološko spremljanje SARS-CoV-2 pri živalih, kot so miši in podgane, da bi razjasnili evolucijsko zgodovino SARS-CoV-2 in preprečili prihodnje 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.