Patogeni koronavirusi: izvor in evolucija

Uvod

Koronavirusi so družina RNA virusov v vrstnem redu Nidovirales. So pomembni virusni patogeni tako pri ljudeh kot pri živalih in lahko povzročijo okužbe dihal in črevesja. Obstajajo štiri klasifikacije koronavirusov, in sicer: alfakoronavirus, betakoronavirus, gamakoronavirus in deltakoronavirus [[1]]. Človeški koronavirusi so alfa in beta koronavirusi. Koronavirusi okužijo ptice in sesalce, netopirji pa so gostitelji največjega števila virusnih genotipov koronavirusa. Epidemije se lahko pojavijo, ko se virusi prenašajo z ene vrste na drugo.

Poreklo in Variabilnost SARS-CoV

Na začetku SARS epidemije leta 2002 (Junan, Kitajska) je bilo hitro sklenjeno, da vsi zgodnji pacienti so imeli stike z živalmi. Čez nekaj časa so ugotovili da SARS-CoV je povzročitelj bolezni in so našli protitelesa SARS-CoV v cibetah in v kmetih, ki jih gojijo. Leta 2005 končno so sklenili da SARS-CoV izvira iz netopirjev, bolj natančno iz roda Rhinolophus. Netopirji Rhinolophus so pogosti v vsej Evroaziji in vsi so nosilci SARSr-CoVs (SARS-related Coronaviruses). Najverjetnejša hipoteza je, da prednik je nastal pri rekombinaciji iz netoprijev in prehod v cibetah in končno v človeku preko fekalno-oralni prenos. Junanski netopirjevi SARSr-CoVs imajo genetski elementi z katerim lahko povzročijo novo epidemijo.

Variabilnost SARSr-CoV pri ljudeh, cibetah in netopirjih

Genomska zaporedja SARS-CoV pri ljudeh in cibetah sta skoraj identična. Največja razlika je v S (spike) genu, ki je razdeljen v 2 delih, S1 in S2. C-končni domena S1 je odgovoren za vezavo z ACE2 in vhod v celicu. Drug gen, ki se bivstveno razlikuje je orf8, (on je ključen pri induciranju apoptoze in replikacijo) pri zgodnjih bolnikih imamo celotni orf8 gen, medtem pri poznih bolnikih gen je razdeljen v orf8a in orf8b, zaradi delecija 29 nukleotida. Ti podatki kažejo da orf8 mutiral, ko je naredil prehod iz netopirjev na ljudeh in cibetah.

SARS-CoV in Netopjieve SARSr-CoVs v glavnem se razlikujejo v 3 regijah: S, ORF8 in ORF3. Obstaja S1 podružnica ki je podobna SARS-CoV in najdemo jo le v Junanu, in drugačna podružnica S1 ki je krajša. Prva S1 podružnica pokaže 90-97.2 % AK identiteta, dokler druga manj kot 80%. Regija ORF8 se veliko razlikuje v različnih SARSr-CoVs, v Evropskem ORF8 je popolnoma izgubljen. ORF3 je antagonist interferona v SARS-CoV in nekateri SARSr-CoVs, v drugih SARSr-CoVs on gubi svojo funkcijo.

Receptorji pri SARS-CoV in SARSr-CoVs

Afiniteta vezavo S protein z ACE2 je ključno pri raziskovanju preskoki z eno vrsto na drugo. S protein je sestavljen iz 3 S1 glave in 3 S2 domeni, Receptor vezavni domen (RBD) se nahaja vrhu na vsaki S1 glavi. Naravno spremembi tukaj, imajo velik vpliv na afiniteti z različnimi ACE2. Najbolj pomembni za vezavo so ostanki Lys31 (31) in Lys353 (353) na ACE2, če RBD formira solni mostički z njim se olajša vhod virusa v celici. Pomembni S protein ostanek ki vpliva na Lys31 je 479, pri SARSr-CoV to je Lys479, ki ne se veže z Lys31. Pri SARS-CoV imamo Arg479 ali Asn479, ki formirajo solni mostiček z Lys31. Drugi pomembni ostanek je Thr487 pri SARS-CoV, deluje na podobni način kot 479, če ga zamenjamo z Ser487, 487 ne more izgraditi mostiček z Lys353. Obstajajo tudi drugi pomembni ostanki kot 442, 472 in 480, vendar ne vplivajo toliko kot 479 in 487. [2] Zanimivo, je da novi SARS-CoV2 ima zelo podobni S protein kot SARS-CoV, ampak Trp493 in Asn501 imajo isti funkciji kot N479 in T487, podobno velja tudi za drugi pomembni ostanki.

Nastanek in razvoj MERS-CoV

Deset let po SARS se je v državah Bližnjega vzhoda pojavil še en betakoronavirus, bližnjevzhodni respiratorni sindrom (MERS-CoV). Virus vstopi v gostiteljsko celico z vezavo na receptor DPP4. Analiza genomskega zaporedja je pokazala, da je virus tesno povezan s koronavirusom HKU4 pri netopirjih Tylonycteris in koronavirusom HKU5 pri Pipistrellus. Okužbe z MERS-CoV so odkrili v vzorcih kameljega seruma v 1983. Iz filogenetskega drevesa opazimo da je genetska raznovrstnost virusnih linij L1 in L2 nizka, kar kaže, da so bili ljudje in kamele okuženi z virusi iz istega vira v kratkem časovnem obdobju. Med virusi L1 spadajo človeški in kameli MERS-CoV, večinoma z Bližnjega vzhoda. Med L2 spadajo le kameli MERS-Cov iz Afrike in ti virusi niso okužile ljudje. Ti dve virusni liniji imata skupnega prednika, vendar sta se v možnostih povzročitve okužb pri ljudeh razšli [3]. Genomska zaporedja MERS-CoV, izolirana od ljudi in kamel, so skoraj enaka (> 99% identitete). Glavne razlike so opazili v S-proteini, ORF4b in ORF3. Do danes imajo netopirji MERSr-CoV ter človeški in kameli MERS-CoV enake genomske strukture, vendar se v svojih genomskih zaporedjih bistveno razlikujejo. Najvišja identiteta genomskega zaporedja med netopirjem MERSr-CoV in MERS-Cov pri človeku in kamili je ~ 85%. Netopirji MERSr-CoV se v S proteinu najbolj razlikujejo. Zaporedja proteina S pri MERSr-CoV netopirjev in MERS-CoV človeka in kamele sta približno 45–65% identična, nižjo identiteto zaporedja so opazili v receptorski vezavni regiji (RBD). DPP4 pri ljudeh, kamelah, konjih in netopirjih lahko deluje kot receptor za MERS-CoV. Sevi MERS-CoV, izolirani od ljudi in kamel, so si med seboj zelo podobni in oba učinkovito uporabljata človeški DPP4. Prepoznavanje receptorjev igra pomembno vlogo. Številne rekombinacije kažejo, da je MERS-CoV nastal iz izmenjave genskih elementov med različnimi virusnimi predniki, vključno s tistimi, izoliranimi od kamel in domnevnih naravnih gostiteljskih netopirjev. Vsi MERSr-CoV, izolirani od netopirjev, podpirajo hipotezo, da MERSr-CoV izvira iz netopirjev. Glede na filogenetsko vrzel med netopirji MERSr-CoV in MERS-CoV človeka in kamele se domneva da obstajajo še virusi, ki so neposredno prispevali k nastanku MERSr-CoV pri ljudeh in kamele.

SADS-CoV

V 2018 v provinci Guangdong so evidentirali sindrom akutne diareje prašičev (SADS). Kot povzročitelj je bil identificiran nov koronavirus netopirjev (SADS-CoV), ki je bil zelo podoben s koronavirusom Rhinolophus netopirjev HKU2 kar kaže na izvor netopirjev tega prašičjega virusa. Mehanizem prenosa SADS-CoV z netopirjev na prašiče trenutno ni znan.

Zaključek

Glede na veliko število koronavirusov in njihove stalne rekombinacije, ki omogočajo prenašanje bolezni z netopirjev na človeka, je izjemnega pomena za preučevanje SARSr-CoVs in MERSr-CoVs. To se je potrdilo z Covid19 epidemijo, ki kot pričakovano je nastala iz Netopirjevi SARSr-CoVs v Junani, Kitajska, tam so našli SARSr-CoV z 96.2% identičnost z SARS-CoV2. SARS-CoV in SARS-CoV2 so zelo podobni, vendar imajo velike razlike v S proteinu, zaradi česar je SARS-CoV2 veliko bolj nevaren. Povzročitelj Covid19 ne bo zadnji koronavirus, ki bo naredil prehod na človeku.

Viri

1. Cui, Jie, et al. “Origin and Evolution of Pathogenic Coronaviruses.” Nature Reviews Microbiology, vol. 17, no. 3, Mar. 2019, pp. 181–92. DOI.org (Crossref), doi:10.1038/s41579-018-0118-9.

2. Tang, Xiaolu, et al. “On the Origin and Continuing Evolution of SARS-CoV-2.” National Science Review, vol. 7, no. 6, June 2020, pp. 1012–23. DOI.org (Crossref), doi:10.1093/nsr/nwaa036.

3. Ortega, Joseph Thomas, et al. “Role of Changes in SARS-CoV-2 Spike Protein in the Interaction with the Human ACE2 Receptor: An in Silico Analysis.” EXCLI Journal, vol. 19, Mar. 2020, pp. 410–17. PubMed Central, doi:10.17179/excli2020-1167.