Molekularnobiološke značilnosti SARS-CoV-2 in aktualni mutanti (južnoafriški, britanski, nigerijski,...)

Molekularne značilnosti SARS-CoV-2

Koronavirusi (CoV) sodijo v družino Coronaviridae, ki se deli na štiri skupine: Alphacoronavirus, Gammacoronavirus, Deltacoronavirus in Betacoronavirus, kamor uvrščamo SARS-CoV-2, ki povzroča koronavirusno bolezen oziroma COVID-19. Pri človeku povzročata bolezni skupin alfa in beta. Povzročajo dihalna obolenja pri ljudeh in gastrointestinalna obolenja pri živalih. Pri ljudeh so simptomi v glavnem blagi, z izjemoma pri imunokopromitiranih osebah kjer se lahko razvije pljučnica ali bronhitis. Vse do prve epidemije leta 2003, povzročene s strani SARS-CoV, so okužbe s koronavirusi veljale za nesmrtonosne. CoV je prešel preko direktnega kontakta iz živali, netopirjev, na človeka – torej gre za zoonotski prenos.

Struktura genoma SARS-CoV-2

Genom SARS-CoV-2 je enovijačna, pozitivno usmerjena RNA, dolga 29 903 nt, in zapisuje ~ 14 odprtih bralnih okvirjev – ORF ter ~ 29 proteinov. RNA zapis vsebuje 3' in 5' neprevajajoči regiji, 5'-kapo in poli(A)-rep na 3' koncu. Na 5' koncu se nahaja ORF1a/b, ki znaša približno dve tretjini celotne dolžine genoma ter zapisuje poliprotein 1a (pp1a) in poliprotein 1ab (pp1ab). Ostali ORF-ji, ki se nahajajo na 3' koncu zapisujejo strukturne proteine: protein bodice (S), membranski protein (M), proteini ovojnice (E) in proteini nukleokapside (N). Po vstopu viriona v tarčno celico se genomska RNA takoj prevede v dva polipretina 1a in 1ab, ki se procesirata v 16 nestrukturnih proteinov, ki skupaj tvorijo replikacijsko-transkripcijski kompleks, ki se nahaja v dvojno-membranskih veziklih. Nastali kompleks vzame pozitivno usmerjeno genomsko RNA kot matrico za sintezo nove negativno usmerjene RNA, ki lahko služi kot matrica za transkripcijo pozitivno usmerjene subgenomske mRNA ali kot matrica za replikacijo genomske RNA. V zapisu za subgenomsko mRNA najdemo START kodon, zaporedje AUG, sam zapis pa po dolžini ni enak genomski RNA in služi kot mRNA za sintezo virusnih proteinov, ki se ne nahajajo v ORF1a/b. Če primerjamo genom SARS-CoV-2 z ostalimi koronavirus opazimo 54 % identičnost.

Protein S

Glikoprotein, ki je ključen v patogenezi SARS-CoV-2, saj se preko receptor vezavne domene RBD, na podenoti S1, veže na ACE2, ki je na gostiteljski celici. Regija RBD velja za najbolj variabilen dela SARS-CoV-2. Celoten protein je zgrajen iz 1273 aminokislinskih ostankov in sestavljen iz treh podenot: S1, S2 in S2'. Podenota S1 je vključena v pritrditev viriona na gostiteljsko celico preko ACE2, sledi vstop virona v celico. Med vstopanjem v celico pride do konformacijskih sprememb proteina S. Podenota S2 sodeluje pri fuziji viriona in membrane tarčne celice. Tekom tega procesa se podenota S2 nahaja v treh različnih konformacijah. Podenota S2' proteolitično cepi vez med podenotama S1 in S2.

Aktualne mutante in njihov pomen

Pri podvojevanju virusov stalno prihaja do napak, ki se zaradi odsotnosti popravljalnih mehanizmov ne popravijo in vodijo v mutacije, s tem pa v nastajanje novih sevov, ki imajo lahko pomembne implikacije za globalno zdravstvo. Nove porajajoče mutante SARS-CoV-2 se lahko hitreje širijo med ljudmi, lahko povzročajo spremenjeno obliko bolezni, se izognejo nekaterim diagnostičnim testom in zmanjšajo učinkovitost tarčnih zdravil in/ali cepiv. Virus SARS-CoV-2 sodi med viruse z dednim zapisov v obliki RNA, za katere je značilno, da pridobijo cca. eno napako na cikel podvojevanja. Koronavirusi sicer zaradi prisotnosti popravljalnega encima eksoribonukleaze mutirajo s ½ hitrostjo virusa gripe in ¼ hitrost virusa HIV. V januarju 2020 se je pojavila mutacija D614G, ki se je hitro razširila po svetu in do junija 2020 nadomestila prvi identificirani sev na Kitajskem, katerega izvor še ni natančno preučen. Ta mutacija omogoča hitrejše in učinkovitejše pritrjevanje virusa na receptor na človeških celicah.

Britanski sev se je pojavil septembra 2020 v Angliji in je povezan s hitrejšim širjenjem bolezni, ki pa ne poteka v težji obliki. Sev definira 23 mutacij, od katerih je najpomembnejša N501Y na mestu, kjer se protein S povezuje z receptorjem ACE2 in povzroči boljše povezovanje in tako večjo verjetnost okužbe. Druge pomembne mutacije so še del69/70, ki prav tako spremeni interakcijo z ACE2, in P681H, ki pripomore k hitrejšemu nastajanju proteina S v celicah.

Južnoafriški sev se je prvič pojavil v oktobru 2020. Trenutno ni dokazov, ki bi kazali da je povezan s težjim potekom bolezni, vendar pa se zaradi mutacij v regiji za vezavo na receptor lahko izogne protitelesom. Poleg mutacije N501Y, ki je enaka kot pri britanskem sevu, ima še dve pomembni mutaciji v regiji, ki se povezuje z receptorjem – K417N in E484K. Kombinacija teh mutacij spremeni obliko vezavnega dela in poveča možnost za pobeg imunskemu sistemu.

Brazilski sev so prvič karakterizirali v januarju 2021 in ima 17 unikatnih mutacij, najbolj značilne pa so mutacije, ki so prisotne tudi pri drugih sevih – K417T, E484K in N501Y. Različica je zelo podobna južnoafriškemu sevu in ima spremenjeno vezavo na receptor ACE2, hkrati pa analize kažejo večjo možnost ponovne infekcije s tem virusom po že preboleli bolezni.

Nigerijski sev so prvič odkrili avgusta 2020. Zanj je značilna mutacija P681H, ki je prisotna tudi pri britanskem sevu, a nima nobene druge mutacije značilne za britansko varianto. Trenutno ni nobenih dokazov, da bi se ta sev širil hitreje, povzročal težjo bolezen ali vplival na delovanje cepiv.