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. 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. [2]

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. 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.

2. 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.

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.