Immagine: nuovo coronavirus SARS-CoV-2- Microfotografia elettronica a scansione colorata di una cellula apoptotica (verde) fortemente infettata da particelle virali SARS-COV-2 (viola), isolata da un campione di un paziente. Immagine catturata presso il NIAID Integrated Research Facility (IRF) a Fort Detrick, nel Maryland. Credito: NIAID.
L’attuale pandemia di COVID-19 mostra la vasta incognita della virologia che continua a sfidare la capacità dell’umanità di rimanere in salute di fronte ai patogeni.
Mentre i microbi più noti hanno un’affinità limitata per specie specifiche, continuando ad adattarsi alle specie ospiti, la grave sindrome respiratoria acuta coronavirus 2 (SARS-CoV-2) è passata da un serbatoio di animali sconosciuto, come i precedenti coronavirus SARS e MERS, a infettare le cellule umane. Tali virus sono in genere più facilmente infettivi e causano malattie più gravi, poiché non si sono ancora completamente adattati all’ospite bersaglio.
Acquisizione del potenziale per l’infezione umana
La domanda che brucia è come i nuovi virus acquisiscono la capacità di riconoscere, legarsi ed entrare per la prima volta nelle cellule umane – se questo dipende solo dalle proteine virali che riconoscono le proteine delle cellule ospiti o dagli adattamenti in altri processi virali che consentono la replicazione in un ospite umano .
Questo problema è stato discusso dai ricercatori dell’Università di Calgary in un nuovo studio pubblicato sul server di prestampa bioRxiv * nel giugno 2020. La proteina spike è la più nota tra le proteine SARS-CoV-2 e il suo legame con i recettori ACE2 sulla cellula ospite è responsabile dell’ingresso virale nella cellula bersaglio. L’ACE2 umano (hACE2) presenta alcune rare varianti che rendono l’ospite più vulnerabile alle infezioni. Allo stesso modo, la proteina spike di questo virus ha una maggiore affinità con il recettore rispetto al precedente virus SARS, che è un’altra possibile spiegazione per l’aumento del potenziale infettivo del virus attuale.
Lo studio: origine dell’affinità di legame ACE2
Il presente studio esamina l’origine di questa variante della proteina spike con la sua affinità per hACE2, usando simulazioni di dinamica molecolare (MD) e ricostruzione di sequenza per identificare il percorso di adattamento del virus. Il risultato è un’analisi filogenetica preliminare che concorda con studi precedenti: il virus è simile al 96% al genoma del pipistrello coronavirus (RaTG13) e al 90% simile al genoma Pangolin-CoV.
Il passo successivo è stato quello di effettuare un’analisi più dettagliata di 479 sequenze raccolte dal 30 dicembre 2019 al 20 marzo 2020, dove sono state trovate 16 varianti. Di questi, 11 erano mutazioni missenso che si verificavano nel 5% o più dei casi e ognuna aveva la propria via filogenetica.
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I ricercatori hanno quindi cercato di ricreare la sequenza ancestrale per la regione spike-RBD (dominio legante i recettori), in modo da poter identificare le mutazioni importanti che guidano specificamente il suo recente adattamento all’ospite umano. Hanno ricostruito l’ipotetica sequenza spike-RBD dell’antenato comune per tutti i casi di SARS-CoV-2 umani, chiamato N1 e per l’antenato comune con il virus animale più vicino, chiamato N2.
N1 è identico alla sequenza nella sequenza di riferimento SARS-CoV-2, ma la sequenza N0 è unica, il che dimostra che questo virus ha avuto origine in modo univoco. I due differiscono in 4 posizioni. La proteina ancestrale ha dato origine a vari discendenti, uno dei quali è il RaTG13. Dato che questo avveniva nel 2013, i ricercatori concludono che la tensione ancestrale esisteva almeno già quell’anno. In altre parole, il ramo N0-N1 si è evoluto per almeno 7 anni.
La sequenza ancestrale aveva un’affinità vincolante superiore
Quali sono le differenze funzionali tra N0 e le attuali sequenze spike-RBD? I ricercatori hanno utilizzato simulazioni MD del complesso spike-RBD-hACE2, a partire dalle strutture cristalline dei raggi X. Il modello ha mostrato che l’energia di legame libero per questo complesso è diminuita quando N0 è cambiato in N1. Pertanto, ciò ha effettivamente ridotto l’affinità di legame sia nelle simulazioni che in vitro.
Tuttavia, due delle modifiche sono state associate a diminuzioni più significative rispetto alle altre. Ciò dimostra che il ceppo N0 aveva, inaspettatamente, una maggiore affinità di legame rispetto al ceppo N1. Questo è il primo studio a dimostrare che l’antenato comune di SARS-CoV-2 e RaTG13 aveva la capacità di legarsi al recettore ACE2 nell’uomo.
Altre modifiche molecolari chiave dell’infettività
Le implicazioni sono che, in primo luogo, l’affinità di legame spike-RBD con hACE2 non è il driver principale della natura altamente contagiosa dell’attuale virus poiché il virus ancestrale era in grado di fare anche questo. In secondo luogo, i ricercatori suggeriscono che questo virus era, anche allora, in grado di legarsi strettamente al recettore. Pertanto, ciò non era sufficiente per produrre la capacità attualmente osservata di diffondersi rapidamente e ampiamente tra gli esseri umani. Invece, questo deve essere dovuto a un’altra serie di mutazioni nel genoma virale.
Ancora un’altra implicazione è che l’attuale virus potrebbe non essere saltato affatto nell’uomo da un’origine animale perché la sua affinità con hACE2 non era un tratto molecolare acquisito di recente. Ciò può significare che la capacità di infettare le cellule umane era presente in un periodo più esteso in passato, ma produceva sintomi clinici meno evidenti o meno che passavano inosservati. Un’altra alternativa era che colpiva solo un piccolo numero di persone, consentendogli di rimanere sotto il radar della salute pubblica.
Immagine: Caratterizzazione dell’evoluzione funzionale SARS-CoV-2 Spike-RBD.
I ricercatori concludono: “Sembra che SARS-CoV-2 Spike-RBD non abbia recentemente sviluppato un’affinità di legame con una proteina specifica per l’uomo. Invece, quella funzione sembra essere stata latente, chiarendo che l’evoluzione di questa malattia – insieme a tanti altri aspetti della sua eziologia – è più complessa del previsto”.
Fonte: bioRxiv *
