Biokemiska och strukturella bevis visar att omicronmutationer är bättre anpassade till mus ACE2 än till mänsklig ACE2

Biokemiska och strukturella bevis visar att omicronmutationer är bättre anpassade till mus ACE2 än till mänsklig ACE2

I en nyligen publicerad studie publicerad i PNAS Forskare visade den strukturella grunden för hur omicronmutationer kapslade i den receptorbindande domänen (RBD) anpassad till musangiotensinomvandlande enzym 2 (ACE2) snarare än humant ACE2.

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

bakgrund

Det finns många spekulationer om källan till den oroande Omicron-varianten (VOC) av allvarligt akut respiratoriskt syndrom coronavirus 2 (SARS-CoV-2), men experimentella bevis är knappa. Dess plötsliga uppkomst och snabba spridning har väckt frågor om dess djurreservoar.

Ett fåtal aminosyrarester skiljer den prototypiska RBD från RBD för fladdermuskoronavirus. Omicron BA.2 RBD skiljer sig från den prototypiska RBD med 16 rester, med sju kapslade i receptorbindningsmotivet (RBM) och direkt i kontakt med ACE2.

Om studien

I den aktuella studien återfann forskarna de evolutionära spåren av omicron RBM-mutationer. De undersökte ACE2-igenkänning av RBD av omicron, med fokus på mutationer Q493R, Q498R, N501Y och Y505H, som omger två mutationshotspots, hotspot-31 eller hotspot-353.

Forskarna använde platsriktad mutagenes för att syntetisera genen som kodar för SARS-CoV-2-prototyperna S, hACE2 och mACE2. Därefter använde de en ytplasmonresonansanalys (SPR) för att mäta bindningsinteraktionerna mellan RBD och ACE2-molekyler. För att bekräfta SPR-data genomförde teamet också ett Omicron-pseudovirustest. De packade Omicron-pseudovirus med fyra omvända mutationer (Q493R, Q498R, N501Y och Y505H) innan de infekterade mACE2-uttryckande celler.

Slutligen bestämde teamet kristallstrukturen för Omicron RBD i komplex med mus ACE2 vid 2,84 Å.

Studieresultat

Även om den prototypiska SARS-CoV-2 inte effektivt infekterade möss, hade andra tidigare SARS-CoV-2 VOC från människor och andra djurarter utvecklat N501Y-mutationen för att underlätta SARS-CoV-2:s användning av mACE2-receptorn. Dessutom har endast möss asparagin (Asn31) och histidin (His353) i sin ACE2-sekvens, vilket tyder på att Omicron utvecklades i möss.

SPR-analysen visade att den prototypiska RBD inte binder mACE2, medan Omicron RBD band mACE2 med god affinitet. Införandet av de omvända mutationerna R493Q, R498Q, Y501N och H505Y i RBD av omicron reducerade endast något mACE2-bindning. Dessutom identifierade studien Q493R, Q498R och Y505H RBM-mutationer som är strukturellt specifikt anpassade till mACE2, vilket tyder på att dessa mutationer var de evolutionära spåren som lämnats av Omicron.

Det är troligt vad som hände under utvecklingen av SARS-CoV-2: En SARS-CoV-2-variant som innehåller N501Y-mutationen spreds från människor eller en annan djurart till möss. Senare, när denna variant spreds i möss, utvecklades musspecifika RBM-mutationer (t.ex. Q493R, Q498R och Y505N), vilket bidrog till uppkomsten av Omicron VOC. ACE2-sekvenserna för vissa råttarter innehåller också Asn31 eller His353. Förutom människor kan Omicron ha överförts till andra arter vars ACE2 innehöll virusbindande motiv (VBM)-rester som är kompatibla med Omicron RBD.

Det chimära Omicron RBD-chimära mACE2-komplexet avslöjade de omfattande interaktionerna mellan Omicron RBM och de mACE2-virusbindande motiven (VBMs). Hotspot-31 stabiliserar kärnan av RBM/VBMs gränssnitt, där lysin-31 och glutaminsyra35-VBM-rester bildar en vätebindning med glutamin493. I mACE2 är rest 31 en asparagin och ersätter Lys31 i hACE2. Således bildar Arg493 i RBM två förgrenade vätebindningar med Asn31-VBM vid gränssnittet mellan Omicron RBM och mus-VBM, vilket stabiliserar RBM/VBMs-gränssnittet och ökar affiniteten hos Omicron RBD för mACE2. Sammantaget anpassade Omicron-mutationen Q493R som omger hotspot-31 strukturellt till Asn31 i mACE2.

Slutsatser

De aktuella studiedata visade att Omicron RBD var väl anpassad till mus ACE2 innan den ens började infektera människor. Forskarna använde biokemiska och strukturella bevis för att visa att möss underlättade utvecklingen av Omicron VOC, vilket gav välbehövlig insikt om SARS-CoV-2s evolutionära ursprung. Dessa fynd skulle också underlätta epidemiologisk övervakning av SARS-CoV-2 hos djur som möss och råttor för att belysa SARS-CoV-2s evolutionära historia och förhindra framtida coronavirus-pandemier.

Hänvisning:

• 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.