Biochemische und strukturelle Beweise zeigen, dass Omicron-Mutationen besser an Maus-ACE2 angepasst sind als an menschliches ACE2

In einer aktuellen Studie veröffentlicht in PNASForscher zeigten die strukturelle Grundlage dafür, wie sich die in der Rezeptorbindungsdomäne (RBD) verschachtelten Omicron-Mutationen an das Angiotensin-Converting-Enzym 2 (ACE2) der Maus und nicht an das menschliche ACE2 angepasst haben.

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

Hintergrund

Es gibt zahlreiche Spekulationen über die Quelle der besorgniserregenden Omicron-Variante (VOC) des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2), doch experimentelle Beweise dafür sind rar. Sein plötzliches Auftauchen und seine schnelle Ausbreitung haben Fragen zu seinem Tierreservoir aufgeworfen.

Einige Aminosäurereste unterscheiden die prototypische RBD von der RBD von Fledermaus-Coronaviren. Das Omicron BA.2 RBD unterscheidet sich vom prototypischen RBD durch 16 Reste, wobei sieben innerhalb des Rezeptorbindungsmotivs (RBM) verschachtelt sind und ACE2 direkt kontaktieren.

Über die Studie

In der vorliegenden Studie haben Forscher die evolutionären Spuren von Omicron-RBM-Mutationen wiederhergestellt. Sie untersuchten die ACE2-Erkennung des RBD des Omicron und konzentrierten sich dabei auf die Mutationen Q493R, Q498R, N501Y und Y505H, die zwei Mutations-Hotspots umgeben, Hotspot-31 oder Hotspot-353.

Die Forscher setzten ortsspezifische Mutagenese ein, um das Gen zu synthetisieren, das für die SARS-CoV-2-Prototypen S, hACE2 und mACE2 kodiert. Als nächstes verwendeten sie einen Oberflächenplasmonresonanztest (SPR), um die Bindungswechselwirkungen zwischen RBDs und ACE2-Molekülen zu messen. Um die SPR-Daten zu bestätigen, führte das Team auch einen Omicron-Pseudovirus-Eintrittstest durch. Sie verpackten Omicron-Pseudoviren mit vier Rückmutationen (Q493R, Q498R, N501Y und Y505H), bevor sie mACE2-exprimierende Zellen infizierten.

Schließlich bestimmte das Team die Kristallstruktur von Omicron RBD im Komplex mit Maus-ACE2 bei 2,84 Å.

Studienergebnisse

Obwohl das prototypische SARS-CoV-2 Mäuse nicht effizient infizierte, hatten andere frühere SARS-CoV-2-VOCs von Menschen und anderen Tierarten die N501Y-Mutation entwickelt, um die Nutzung des mACE2-Rezeptors durch SARS-CoV-2 zu erleichtern. Außerdem haben nur Mäuse Asparagin (Asn31) und Histidin (His353) in ihrer ACE2-Sequenz, was darauf hindeutet, dass sich Omicron in Mäusen entwickelt hat.

Der SPR-Assay zeigte, dass die prototypische RBD mACE2 nicht band, während die Omicron-RBD mACE2 mit guter Affinität band. Durch die Einführung der Rückmutationen R493Q, R498Q, Y501N und H505Y in die RBD des Omicron wurde die mACE2-Bindung nur geringfügig verringert. Darüber hinaus identifizierte die Studie Q493R-, Q498R- und Y505H-RBM-Mutationen, die strukturell speziell an mACE2 angepasst sind, was darauf hindeutet, dass diese Mutationen die von Omicron hinterlassenen evolutionären Spuren waren.

Es ist wahrscheinlich, was während der Entwicklung von SARS-CoV-2 passiert ist: Eine SARS-CoV-2-Variante, die die N501Y-Mutation enthält, breitete sich vom Menschen oder einer anderen Tierart auf Mäuse aus. Später, als sich diese Variante bei Mäusen ausbreitete, entwickelten sich mausspezifische RBM-Mutationen (z. B. Q493R, Q498R und Y505N), die zur Entstehung des Omicron VOC beitrugen. Die ACE2-Sequenzen einiger Rattenarten enthalten auch Asn31 oder His353. Neben Menschen könnte Omicron auch auf andere Arten übertragen worden sein, deren ACE2 Virusbindungsmotive (VBM)-Reste enthielt, die mit der Omicron-RBD kompatibel waren.

Der Komplex aus dem chimären Omicron RBD und dem chimären mACE2 offenbarte die umfangreichen Wechselwirkungen zwischen dem Omicron RBM und den mACE2-Virusbindungsmotiven (VBMs). Hotspot-31 stabilisiert den Kern der RBM/VBMs-Schnittstelle, wo Lysin-31 und Glutaminsäure35-VBM-Reste eine Wasserstoffbrücke mit Glutamin bilden493. In mACE2 ist Rest 31 ein Asparagin und ersetzt Lys31 in hACE2. Somit bildet Arg493 in RBM an der Schnittstelle zwischen dem Omicron-RBM und Maus-VBMs zwei gegabelte Wasserstoffbrückenbindungen mit Asn31-VBM, wodurch die RBM/VBMs-Schnittstelle stabilisiert und die Affinität von Omicron RBD für mACE2 erhöht wird. Insgesamt hat sich die Omicron-Mutation Q493R um Hotspot-31 strukturell an Asn31 in mACE2 angepasst.

Schlussfolgerungen

Die aktuellen Studiendaten zeigten, dass das Omicron RBD gut an ACE2 der Maus angepasst war, bevor es überhaupt begann, Menschen zu infizieren. Die Forscher nutzten biochemische und strukturelle Beweise, um zu zeigen, dass Mäuse die Entwicklung des Omicron VOC erleichterten und so dringend benötigte Einblicke in den evolutionären Ursprung von SARS-CoV-2 lieferten. Diese Erkenntnisse würden auch die epidemiologische Überwachung von SARS-CoV-2 bei Tieren wie Mäusen und Ratten erleichtern, um den Evolutionsverlauf von SARS-CoV-2 aufzuklären und zukünftige Coronavirus-Pandemien zu verhindern.

Referenz:

• 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.