La proteina spike SARS-CoV-2 può agire come un superantigene, spingendo il sistema immunitario in overdrive come nella sindrome da shock tossico

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Uno studio della University of Pittsburgh School of Medicine and Cedars-Sinai affronta un mistero sollevato per la prima volta a marzo: perché alcune persone con COVID-19 sviluppano una grave infiammazione?

La ricerca mostra come la struttura molecolare e la sequenza della proteina spike SARS-CoV-2 – parte del virus che causa COVID-19 – potrebbe essere alla base della sindrome infiammatoria che si manifesta nei pazienti infetti.

Lo studio, pubblicato questa settimana negli Atti della National Academy of Sciences, utilizza modelli computazionali per azzerare una parte della proteina spike SARS-CoV-2 che può agire come un “superantigene”, spingendo il sistema immunitario in overdrive come nella sindrome da shock tossico – una complicanza rara e pericolosa per la vita delle infezioni batteriche.

I sintomi di una condizione recentemente identificata nei pazienti pediatrici COVID-19 , nota come sindrome infiammatoria multisistemica nei bambini (MIS-C), includono febbre persistente e grave infiammazione che può interessare una serie di sistemi corporei.

Sebbene rara, la sindrome può essere grave o addirittura fatale.

Le prime segnalazioni di questa condizione provenienti dall’Europa hanno attirato l’attenzione del co-autore senior dello studio Moshe Arditi, MD, direttore della Divisione Malattie Infettive Pediatriche e Immunologia presso Cedars-Sinai ed esperto di un’altra malattia infiammatoria pediatrica: la malattia di Kawasaki.

Arditi ha contattato il suo collaboratore di lunga data, Ivet Bahar, Ph.D., illustre professore e John K.Vries Cattedra di biologia computazionale e dei sistemi presso la Pitt School of Medicine, ei due hanno iniziato a cercare le caratteristiche del virus SARS-CoV-2 che potrebbe essere responsabile di MIS-C.

Bahar e il suo team hanno creato un modello computerizzato dell’interazione tra la proteina spike virale SARS-CoV-2 e i recettori sulle cellule T umane, i soldati di fanteria del sistema immunitario.

In circostanze normali, le cellule T aiutano il corpo a combattere le infezioni, ma quando queste cellule vengono attivate in quantità anormalmente grandi, come nel caso dei superantigeni, producono enormi quantità di citochine infiammatorie – piccole proteine ​​coinvolte nella segnalazione del sistema immunitario – in ciò che è noto come una “tempesta di citochine”.

Utilizzando questo modello computerizzato, il team è stato in grado di vedere che una regione specifica sulla proteina spike con caratteristiche superantigeniche interagisce con le cellule T.

Quindi, hanno confrontato questa regione con una proteina batterica che causa la sindrome da shock tossico e hanno trovato sorprendenti somiglianze sia nella sequenza che nella struttura.

È importante sottolineare che il superantigene SARS-CoV-2 proposto ha mostrato un’elevata affinità per il legame dei recettori delle cellule T, il primo passo per innescare una risposta immunitaria incontrollata.

“Tutto è venuto uno dopo l’altro, ogni volta una grande sorpresa. I pezzi del puzzle hanno finito per adattarsi perfettamente “, ha detto Bahar, co-autore senior dello studio.

Trovando somiglianze a livello di proteine tra SARS-CoV-2 e la struttura batterica che causa la sindrome da shock tossico, i ricercatori hanno affermato di aver aperto nuove strade per il trattamento non solo dei pazienti MIS-C, ma anche degli adulti con infezione da COVID-19 tempesta di citochine.

I ricercatori hanno anche collaborato con scienziati che studiano pazienti adulti COVID-19 in Germania e hanno scoperto che coloro che hanno manifestato sintomi gravi avevano una risposta delle cellule T simile a quella osservata nelle persone esposte a superantigeni e molto diversa dalla risposta delle cellule T nei pazienti che avevano sintomi lievi.

“La nostra ricerca inizia finalmente a svelare i potenziali meccanismi coinvolti e solleva la possibilità che le opzioni terapeutiche per la sindrome da shock tossico, come immunoglobuline per via endovenosa e steroidi, possano essere efficaci per la gestione e il trattamento di MIS-C nei bambini e iperinfiammazione nei pazienti adulti con coronavirus”, ha detto Arditi, professore di pediatria e scienze biomediche al Cedars-Sinai.

I laboratori di Arditi e Bahar stanno ora utilizzando le idee generate da questo studio per cercare e testare anticorpi specifici per il superantigene SARS-CoV-2, con l’obiettivo di sviluppare terapie che affrontano specificamente MIS-C e tempesta di citochine nei pazienti COVID-19.


La sindrome respiratoria acuta grave coronavirus 2 (SARS-CoV-2), che causa COVID-19, è un coronavirus strettamente correlato ai coronavirus della SARS-CoV e della sindrome respiratoria del Medio Oriente (MERS) (1). COVID-19 può manifestarsi negli adulti come una polmonite interstiziale grave con iperinfiammazione mentre le manifestazioni respiratorie gravi sono rare nei bambini (2-4).

Recentemente, tuttavia, il sistema infiammatorio multisistemico nei bambini (MIS-C) è stato riconosciuto in pazienti che sono risultati positivi per COVID-19 (mediante PCR o sierologia) o avevano legami epidemiologici con COVID-19 (5-7). 

Dopo le prime segnalazioni nel Regno Unito (5), molti casi sono stati ora segnalati in Europa (6, 7) e New York (USA CDC). Tuttavia, non sono stati segnalati casi simili in Cina, Giappone o Corea del Sud, anch’essi gravemente colpiti dalla pandemia COVID-19 (ECDC).

MIS-C si manifesta come febbre persistente e iperinfiammazione con coinvolgimento di sistemi multi-organo inclusi sintomi cardiaci, gastrointestinali, renali, ematologici, dermatologici e neurologici (5-7) che ricordano fortemente la sindrome da shock tossico (TSS) (8, 9) (Tabella 1), piuttosto che la malattia di Kawasaki a causa di marcate differenze demografiche, cliniche e di laboratorio (6). 

Le somiglianze con TSS e l’associazione di MIS-C con COVID-19 ci hanno portato a ipotizzare che SARS-CoV-2 possa possedere frammenti superantigenici che inducono una cascata infiammatoria e forse contribuiscono anche alle caratteristiche di iperinfiammazione e tempesta di citochine osservate in COVID adulti gravi -19 casi (3, 4). 

La domanda che ci siamo posti è: SARS-CoV-2 S possiede frammenti superantigenici che potrebbero suscitare tali reazioni su proteine ​​leganti coinvolte nella risposta immunitaria adattativa citotossica della cellula ospite? Una tale reazione non è stata osservata nella pandemia di SARS-CoV del 2003 (a breve SARS1). 

Cosa c’è di unico in SARS-CoV-2 e in che modo recenti mutazioni in SARS-CoV-2 S possono aver promosso un tale aumento della virulenza?

Tabella 1:

Somiglianze tra le caratteristiche cliniche e di laboratorio di MIS-C e TSS pediatrica

Caratteristiche clinicheMIS-C aTSS pediatrica b
Febbre alta++
Eruzione cutanea++
Congiuntivite++
Coinvolgimento della mucosa orale++
Mialgia++
Ipotensione++
Coinvolgimento miocardico (disfunzione)++
Sintomi gastrointestinali (vomito, diarrea, dolore addominale)++
Coinvolgimento renale++
Sintomi del SNC, stato mentale alterato++
Mal di testa++
CRP elevato++
Ferritina alta++
High IL-6++
D-dimeri alti++
Procalcitonina alta++
Linfopenia++
Conta piastrinica ridotta++
Conta dei neutrofili aumentata++
AST e ALST aumentati++
Alto Pro-BNP+N / A
Troponina alta+N / A
Isolamento di batteri che inducono TSS (Staphylococcus o Streptococcus)+

preso dai rif. (5–7);
preso dai rif. (8-11).
rappresenta l’associazione con i casi segnalati;
NA: non disponibile.

La TSS può essere causata da due tipi di superantigeni (SAgs): batterici o virali. Le SAg batteriche sono state ampiamente studiate. Includono proteine ​​secrete da Staphylococcus aureus e Streptococcus pyogenes che inducono l’induzione del gene delle citochine infiammatorie e lo shock tossico.

Esempi tipici sono la tossina TSS 1 (TSST1) e le enterotossine stafilococciche B (SEB) e H (SEH).

Sono attivatori delle cellule T molto potenti che possono legarsi alle molecole MHC di classe II (MHCII) e / o ai TCR delle cellule T CD4 + e CD8 +.

La capacità delle SAgs di bypassare la specificità antigenica dei TCR si traduce in un’ampia attivazione dei linfociti T e in una tempesta di citochine, che porta a shock tossici (12, 13).

In particolare, le SAg non legano il solco di legame del peptide principale (antigenico) di MHCII, ma legano invece direttamente altre regioni così come gli αβTCR. Mentre i primi studi hanno dimostrato che le SAg batteriche attivano le cellule T legando la catena β dei TCR dimerici al loro dominio variabile (V) (14-16), studi più recenti hanno rivelato che possono legarsi alle catene α o β, oppure entrambi (17). T

La domanda è quindi: SARS-CoV-2 S possiede frammenti / domini superantigenici che potrebbero legarsi agli αβTCR?

Qui, abbiamo utilizzato la modellazione computazionale per determinare se il SARS-CoV-2 S possiede attività SAg. Dimostriamo che un inserto presente in SARS-CoV-2 S, che è assente da SARS1 e MERS, media il legame non specifico ad alta affinità al TCR.

In particolare, un motivo di ~ 20 aminoacidi che racchiude questo inserto unico per SARS-CoV-2 tra i beta coronavirus ha caratteristiche di sequenza e struttura molto simili a quelle della tossina SEB. 

Inoltre, la nostra analisi indica che una mutazione SARS-CoV-2 S rilevata in un ceppo europeo può aumentare il legame del TCR, suggerendo che tali mutazioni possono spiegare differenze geografiche nell’occorrenza di MIS-C. Questi risultati hanno importanti implicazioni per la gestione e il trattamento di COVID-19.

RISULTATI E DISCUSSIONE

Il picco SARS-CoV-2 ospita un sito ad alta affinità per il legame della catena β TCR, che contiene un’inserzione , P 681 RRA 684 , unica per SARS2.

Abbiamo prima esaminato se SARS-CoV-2 S potesse legarsi al αβTCR. A questo scopo, abbiamo costruito un modello strutturale SARS-CoV-2 S basato sulla struttura cryo-EM risolta per la glicoproteina spike ( 18 ), e abbiamo utilizzato la struttura a raggi X di αβTCR risolta in un complesso ternario con SEH e MHCII ( 17 ) e ha generato una serie di modelli strutturali per la possibile formazione di complessi SARS-CoV-2 S glicoproteina – TCR utilizzando ClusPro ( 19 ).

Le nostre simulazioni hanno portato alla posa del legame presentata nella Fig. 1A come uno dei meccanismi più probabili di formazione di complessi, come descritto in dettaglio nelle  Informazioni supplementari (SI)  e nella  Figura supplementare S1 .

Qui, il TCR si lega all’interfaccia tra le subunità S1 e S2 della proteina spike, vicino al sito di scissione S1 / S2. Una vista in primo piano dell’interfaccia tra il picco e il dominio TCRVβ (Fig. 1B) rivela diverse interazioni interatomiche forti, che coinvolgono i residui S680-R683 sul picco e R70-E74 e [Q52, D56] sulle rispettive CDR 3 e 2 su Vβ.

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Figura 1:
legame del TCR al trimero a punta SARS-CoV-2 vicino alla regione dell’inserto “PRRA”. Viste complessive ( A ) e primo piano ( B ) delle interazioni complesse e interfacciali. In ( B ) i monomeri spike sono colorati di  bianco ,  blu ghiaccio e spettralmente dal  blu  (dominio N-terminale) al  rosso , tutti visualizzati nella rappresentazione della superficie. Per una migliore visualizzazione, il trimero del picco è orientato in modo tale che i suoi domini di legame del recettore (RBD) siano in basso. Le catene TCR α e β sono in  nastri rossi  e  ciano . In ( B ), il segmento S 680 PPRAR 685 compreso l’inserto PRRA e il sito di scissione altamente conservato R685 è mostrato nella rappresentazione di van der Waals ( etichette nere ) ei residui CDR vicini del dominio TCRVβ sono etichettati in  blu / bianco . Vedere ulteriori informazioni nella  Figura supplementare S1 .

Notiamo che l’epitopo legante TCRVβ su SARS-CoV-2 S è centrato attorno a un motivo di sequenza, P681RRA684 (o brevemente PRRA, d’ora in poi), e ai suoi vicini sequenziali e spaziali. Il confronto di SARS-CoV-2 S con altre sequenze di proteine ​​spike del beta-coronavirus ha mostrato (20) che SARS-CoV-2 si distingue per l’esistenza di questa inserzione di quattro residui, PRRA, che precede il sito di scissione della furina (peptide R685-S686 legame) tra le subunità S1 e S2 di ciascun protomero (Fig. 2A).

Il confronto strutturale delle proteine ​​trimeriche S tra SARS-CoV e SARS-CoV-2 mostra ulteriormente la loro stretta somiglianza strutturale in generale (ad eccezione dell’RBD che è impegnato in specifiche interazioni interfacciali (18)), ma i due picchi differiscono significativamente vicino al Motivo PRRARS unico per SARS-CoV-2, che è esposto al mezzo extracellulare (Fig. 2B).

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Figura 2:
sequenza e proprietà strutturali del motivo “PRRA” dell’inserto. A – B  SARS-CoV-2 codifica sia un sito di scissione ( 1 ) che motivi neurotossici ( 21 ) vicino all’inserzione PRRA che lo distingue da SARS-CoV. ( A ) Allineamento della sequenza di SARS-CoV-2 e più ceppi di CoV SARS-CoV e Bat SARS-simili ( 1 ) vicino all’inserzione PRRA. ( B ) Allineamento strutturale di SARS-CoV-2 e SARS-CoV nella stessa regione. Il motivo PRRARS è mostrato in  bastoncini rossi . ( C ) Somiglianza di sequenza tra i motivi della neurotossina e lo stretto vicinato dell’inserto PRRA, riportata in precedenza ( 21 ), nonché il motivo SAg dell’HIV-1 gp120 ( 22) nell’ultima riga. ( D ) Trimero SARS-CoV-2 S composto solo da subunità S1. I protomeri sono di colore  arancione ,  rosso  e grigio e visualizzati nel formato van der Waals. I motivi sporgenti E661-R685 sono evidenziati in  bianco ,  verde ,  rosso e  blu che  rappresentano i residui idrofobici, idrofili, acidi e basici.

Un ulteriore esame del motivo vicino al PRRA rivela una stretta somiglianza strutturale con il superantigene SEB, nonché somiglianze di sequenza con neurotossine e SAg virale.

L’inserimento di PRRA insieme ai sette amminoacidi sequenzialmente precedenti e ai successivi Arg (completamente conservati tra i β-coronavirus) è stato indicato per formare un motivo, Y674QTQTNSPRRAR685, omologo a quello delle neurotossine dei generi Ophiophagus (cobra) e Bungarus, nonché regioni simili alle neurotossine da tre ceppi di RABV (21) (Fig. 2C).

Abbiamo inoltre notato che lo stesso segmento ha una stretta somiglianza con il motivo superantigenico gp120 della glicoproteina HIV-1 F164-V164.

Questa stretta somiglianza di sequenza con le SAg sia batteriche che virali, a supporto del potenziale carattere superantigenico del tratto amminoacidico Y674-R685 di SARS-CoV-2 S, ci ha portato ad analizzare ulteriormente la sua sequenza locale e le proprietà strutturali.

La nostra analisi ha portato a un’interessante somiglianza di sequenza tra il frammento parzialmente sovrapposto T678-Q690 dello spike e il peptide superantigenico SEB Y150NKKKATVQELD161 (Fig. 3A).

Questa sequenza dodecapeptidica all’interno della SEB mostra una forte conservazione in un’ampia gamma di SAg stafilococciche e streptococciche (23, 24). Notiamo che il segmento allineato sequenzialmente di SARS1 (S664-K672) ha una somiglianza minima con SEB SAg (Fig. 3A a sinistra).

Ciò che è ancora più interessante è che il motivo SARS-Cov-2 ha mostrato un comportamento palindromico rispetto alla sequenza SEB superantigenica nel senso che un tratto più ampio, da E661 a R685, potrebbe essere allineato al peptide superantigene anche in direzione inversa (Fig. 3A destra).

Ciò porta alla nostra attenzione la versatilità e l’elevata propensione dei residui del sito di legame del SARS-CoV-2 S TCRVβ ad agire potenzialmente come un frammento superantigenico.

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Figura 3:
l’inserto “PRRA” nello spike SARS-CoV-2 mostra proprietà di sequenza e struttura simili a quelle del superantigene batterico SEB. A ) Allineamento della sequenza superantigenica di SEB ( 23 ) contro una sequenza omologa di picco SARS-CoV-2 vicino all’inserto PRRA e corrispondente segmento SARS-CoV. Gli allineamenti vengono visualizzati sia per l’ordine in avanti (a sinistra ) che per quello inverso (a destra ) della sequenza SEB. Notare la somiglianza tra i primi due, mentre il terzo (SARS-CoV) mostra somiglianze con la sequenza SARS-CoV-2, ma non SEB. ( B ) Struttura del peptide superantigenico (T150 – D161) osservato nella struttura cristallina di SEB ( 25 ) (PDB: 3SEB). ( C) Modello strutturale per motivo palindromico SARS-CoV-2 S E661 – R685. ( D ) La regione omologa in SARS-CoV S presenta caratteristiche strutturali totalmente distintive: un ponte salino, K152-E159 (in SEB) o R685-E661 (SARS-CoV-2), è assente nel picco SARS-CoV; i primi due sono poli-basici (con tre lisine e tre arginine nei rispettivi motivi), mentre la controparte spike SARS-CoV ha un solo residuo basico (R667); e i primi due possiedono un’impalcatura ASN, che è assente su SARS1. ( E ) Allineamento strutturale di CD28, il recettore che lega SEB, al dominio TCRVβ, a supporto dell’adattabilità del sito SAg putativo per accogliere interazioni spike-TCRβ o SEB-CD28.

Significativamente, le strutture dei due peptidi mostrano una notevole somiglianza (Fig. 3B-C), incluso un ponte salino che stabilizza ogni motivo strutturale (E159-K152 in SEB e E661-R685 in SARS-CoV-2 S), i relativi orientamenti di tre residui caricati positivamente (K152-K153-K154 in SEB e R682-R683-R685 in SARS-CoV-2 S), un β-tornante che apparentemente funge da impalcatura e può essere ulteriormente supportato nel coronavirus SARS da un potenziale legame disolfuro tra C662-C671. Le prime due caratteristiche sono assenti nel picco di SARS1 (Fig. 3D).

Questa analisi nel complesso indica che il segmento T678NSPRRAR685 forma un nucleo presumibilmente superantigenico, costantemente allineato contro varie SAg batteriche o virali (Figg. 2C e and3A3A – C) con o senza la partecipazione degli amminoacidi adiacenti.

Tuttavia, la combinazione più ampia di sequenza e analisi della struttura nei pannelli A (a destra) e BB-C della Fig.3 rivela una caratteristica ancora più convincente: questo presunto nucleo SAg è strutturalmente consolidato dalla vicinanza spaziale a un segmento acido conservato, E661CD663, che forma un ponte salino altamente stabile con il segmento polibasico PRRAR di SARS-CoV-2 S, molto simile al ponte salino osservato in SEB (ma non in SARS1 S).

Notiamo che il peptide superantigene SEB Y150NKKKATVQELD161 è stato segnalato per legare CD28 (23), un recettore delle cellule T che fornisce segnali co-stimolatori necessari per l’attivazione e la sopravvivenza delle cellule T. I domini CD28 e TCRV condividono la stessa piega (immunoglobulina) (Fig. 3E), ed è probabile che il meccanismo di legame mostrato in Fig. 1B sia adottato con piccoli riarrangiamenti per consentire il legame di SEB a CD28.

Infine, a causa del segmento superantigenico omologa del SEB vincolante CD28, abbiamo anche testato il potenziale legame del picco SARS2 E661-R685 su CD28, considerando la possibilità che l’obiettivo del segmento superantigenico picco SARS2 potrebbe essere CD28. Le nostre simulazioni hanno indicato che lo stesso segmento può legarsi allo stesso modo al CD28, supportando ulteriormente la forte propensione del frammento a stimolare l’attivazione delle cellule T.

Il picco di SARS-CoV-2 conserva altri frammenti superantigenici o tossici osservati nel picco di SARS1, incluso un motivo simile a ICAM-1 impegnato nella stabilizzazione delle interazioni con TCRVα.

L’esistenza di potenziali frammenti di sequenza superantigenici, tossici o simili a molecole di adesione intercellulare (ICAM) nella SARS1 è stata esaminata a fondo da Li et al. a seguito della pandemia del 2003 (26).

Ciò ha portato all’identificazione dei nove tratti di sequenza, inclusi tre precursori della neurotossina botulinica di tipo D o G e due motivi che hanno un’elevata somiglianza con la molecola di adesione intercellulare 1 (ICAM-1). L’analisi comparativa con la sequenza di spike SARS-CoV-2 ha rivelato che sette di questi motivi di sequenza sono conservati tra SARS-CoV e SARS-CoV-2 (Figura supplementare S2).

Tra questi, notiamo che Y279NENGTITDAVDCALDPLSETKC301, un motivo simile a ICAM-1 (CD54), partecipa anche all’associazione tra il picco di SARS-CoV-2 e l’αβTCR legato (vedere Fig.4).

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Figura 4:
Le interazioni interfacciali tra il picco di SARS-CoV-2 e αβTCR sono ulteriormente stabilizzate dall’associazione di un motivo simile all’ICAM con il dominio TCRVα. A ) Interfaccia tra SARS-CoV-2 spike e domini variabili TCR. Spike è mostrato in  giallo ; TCR Vα e Vβ sono rispettivamente in  magenta  e  ciano . L’inserto PRRARS è evidenziato in  rosso ; Il sito di mutazione D839 identificato in un recente studio ( 28 ) è in  verde ; La controparte SARS-CoV-2 del motivo simile a CD54 identificato per il picco di SARS-CoV ( 26 ) è in  arancione . I residui coinvolti in stretti contatti interfacciali sono mostrati in  bastoncini, con atomi di azoto e ossigeno colorati rispettivamente in  blu  e  rosso . Le interazioni tra coppie di atomi separate da meno di 2,5Å sono indicate da  linee tratteggiate nere . ( B ) Una vista ravvicinata delle interazioni tra l’inserto / motivo PRRARS e il TCR Vβ. ( C ) Lo stesso per il sito di mutazione D839. ( D ) Interazioni tra residui selezionati su CDR TCRVα con motivo ICAM-1 ( etichettato, arancione ).

Si noti che il coinvolgimento di ICAM-1 è fondamentale per mediare le risposte immunitarie e infiammatorie. È probabile che l’interazione osservata del motivo simile all’ICAM-1 di SARS-CoV-2 S con TCRVα, in tandem con l’interazione del motivo SAg putativo sopra discusso (attorno all’inserto PRRA) con TCRVα, rafforzi ulteriormente l’associazione di il virus con le cellule T e la conseguente attivazione.

Precisamente, N280-E281-N282 e T286 appartenenti al frammento simile a ICAM interagiscono strettamente con i CDR di TCRVα; principalmente T286 (spike) entra in stretto contatto con S94 (CDR3), E281 (spike) forma un legame idrogeno con T51 (CDR2) e N280 e N282 (spike) sono strettamente associati a R69 (Fig. 4D).

Una rara mutazione, D839Y / E, recentemente osservata in un ceppo di SARS2 in Europa, contribuisce a stabilizzare l’interazione con TCR.
È interessante notare che la regione di legame degli spike SARS-CoV-2 ospita tre residui che sono stati recentemente segnalati come mutati in nuovi ceppi provenienti da Europa e USA (27, 28): D614G, A831V e D839Y / N / E).

I primi due possono potenzialmente interagire con MHCII; mentre quest’ultimo (D839, ceppo europeo) si trova vicino a TCRVβ e interagisce fortemente con N30; (Fig. 4A e andC, C e Figure supplementari S3 e S4A).

La sua sostituzione con il glutammato nel mutante D839E aumenta la forza dell’associazione intermolecolare (e quindi virus-cellula T) (Figura complementare S4C). Interazioni ancora più forti tra spike e TCRVβ si osservano sostituendo D839 con una tirosina, come illustrato nella Figura supplementare S4D: Le interazioni interfacciali in questo caso sono ulteriormente stabilizzate da un legame idrogeno tra Y839 e D32; un’interazione aromatica (polare-π) tra Y839 e N30; così come le possibili interazioni elettrostatiche con K73 e S97.

La valutazione quantitativa della variazione dell’affinità di legame tra il picco e TCR alla mutazione di D839 in Y, E e N produce ΔΔGD → Y = −2.2kcal mol − 1, ΔΔGD → E = −2.1kcal mol − 1 e ΔΔGD → N = −1.3kcal mol − 1 rispettivamente (per i dettagli, vedere la tabella supplementare S1). Pertanto, ci si aspetterebbe che le mutazioni D839Y / N / E rafforzino / supportino l’associazione sopra descritta tra il segmento contenente PRRA superantigenico e il TCRVp.

CONCLUSIONE

La comprensione dell’immunopatologia che porta a manifestazioni gravi di COVID-19, sia negli adulti che nei bambini, è di fondamentale importanza per una gestione e un trattamento efficaci della malattia. MIS-C mostra una notevole somiglianza con la TSS pediatrica (5–9).

Utilizzando in silico modellazione e analisi, abbiamo scoperto che SARS-CoV-2 codifica un motivo superantigene vicino al suo sito di scissione S1 / S2.

Questa regione è molto simile nella struttura al motivo SEB SAg che interagisce sia con il TCR che con il CD28 (23) e media il TSS. La SEB consente l’attivazione e la proliferazione delle cellule T su larga scala (13), con conseguente produzione massiccia di citochine pro-infiammatorie tra cui IFNγ, TNFα e IL-2 dalle cellule T, nonché IL-1 e TNFα dalle APC (13).

Questa tempesta di citochine porta a un danno tissutale multiorgano simile a quello che è ora osservato in MIS-C. Proponiamo quindi che MIS-C osservato nei pazienti COVID-19 possa essere mediato dall’attività superantigenica della proteina SARS-CoV-2 S.

Ad oggi, MIS-C è per lo più osservato in Europa e nella costa orientale del Nord America e non è stato descritto in Asia, nonostante i notevoli episodi di COVID-19 (5–7) (CDC ed ECDC). Mostriamo che una mutazione a D839 trovata in un ceppo europeo di SARS-CoV-2 aumenta l’affinità di legame del motivo SAg al TCR.

Ciò potrebbe (almeno in parte) spiegare l’inclinazione geografica di MIS-C in aree in cui il ceppo europeo è endemico e l’identificazione di altre mutazioni specifiche del ceppo può aiutare a prevedere dove potrebbe verificarsi la futura epidemia di MIS-C.

I nostri risultati sollevano l’eccitante possibilità che le opzioni terapeutiche immunomodulatorie utilizzate per la TSS possano essere efficaci anche per MIS-C, inclusi IVIG e steroidi. Infatti, i primi rapporti pubblicati e non pubblicati suggeriscono che i pazienti MIS-C rispondono bene all’IVIG con o senza steroidi (5-7).

L’IVIG riconosce gli epitopi SEB (29) e quindi può funzionare in parte neutralizzando un superantigene. Date le somiglianze strutturali tra SEB e il motivo SAg della proteina S, esiste un potenziale di reattività crociata di queste immunoglobine, spiegando almeno in parte la risposta dei casi MIS-C a IVIG.

Possono essere efficaci anche altri farmaci antinfiammatori approvati dalla FDA testati in modelli di SEB TSS, tra cui CTLA4-Ig che può inibire la co-stimolazione CD28 (30) e l’inibitore mTOR rapamicina (31), che è già in uso per COVID -19.

Inoltre, sono stati descritti Abs monoclonali umanizzati anti-SEB (32) che potrebbero anche essere di potenziale beneficio terapeutico nei pazienti MIS-C. In particolare, è stato dimostrato nel modello murino di TSS che la sfida letale del superantigene SEB può essere prevenuta da brevi mimetici peptidici del suo motivo superantigenico (23).

Sarebbe interessante esaminare se i mimetici del peptide corto della regione del superantigene del picco di SARS-CoV-2 potrebbero essere impiegati per prevenire / attenuare l’induzione del gene delle citochine infiammatorie e lo shock tossico nei pazienti MIS-C.

Al momento, la maggior parte delle terapie anticorpali in esame sono progettate per colpire i domini di legame del recettore SARS-CoV-2 (RBD) (33, 34) e le nostre simulazioni hanno anche indicato che RBD potrebbe potenzialmente interagire con i TCR.

Tuttavia, rispetto agli RBD, si trovano relativamente meno mutazioni nella regione SAg di SARS-CoV-2; in particolare, l’inserto “PRRA” è unico per SARS-CoV-2 e mantenuto tra tutti i suoi isolati sequenziati fino ad oggi (27, 28). Potrebbe essere costruttivo progettare anticorpi o farmaci mirati a questa regione SAg, non solo per bloccare la scissione essenziale per consentire l’ingresso virale (1, 20), ma anche modulare l’induzione genica delle citochine infiammatorie indotta da SAg (13).

Fortunatamente, le manifestazioni respiratorie gravi di COVID-19 nei bambini e lo sviluppo di MIS-C sono rari. Ciò può essere dovuto all’immunità addestrata (2) o all’immunità virale crociata verso altri ceppi di coronavirus (35). Le cellule T e B svolgono un ruolo importante nella risposta antivirale.

Le cellule T CD4 + e CD8 + dei pazienti COVID-19 convalescenti possono riconoscere una serie di epitopi SARS2 e la proteina S rappresenta un obiettivo principale (35).

È interessante notare che le cellule T di individui non esposti possono anche rispondere agli epitopi della proteina S da SARS-CoV-2, che supporta l’ipotesi di immunità virale crociata da altri ceppi di coronavirus (35). Tuttavia, il motivo per cui solo una frazione dei bambini infetti sviluppa MIS-C non è chiaro.

È possibile che una scarsa risposta anticorpale iniziale al virus non riesca a neutralizzare SAg determinando un potenziamento immunitario in seguito alla riesposizione o che alcuni tipi di HLA siano più permissivi del SAg legante, e in effetti è stato dimostrato che HLA gioca un ruolo nella suscettibilità COVID (36 ).

Dei nove casi inizialmente segnalati nel Regno Unito, sei erano di discendenza afro-caraibica, il che suggerisce anche una potenziale componente genetica alla suscettibilità (5).

È interessante notare che circa un terzo o meno dei pazienti MIS-C sono risultati positivi per SARS-CoV-2, ma la maggior parte (ma non tutti) ha evidenza sierologica di infezione o una storia di esposizione a COVID-19 (5 –7). Ciò potrebbe suggerire che il SARS-CoV-2 SAg provoca una risposta di iperinfiammazione ritardata in alcuni bambini.

Le SAg sono state implicate nell’autoimmunità innescando cellule T autoreattive (12). Il potenziamento mediato da anticorpi dopo la riesposizione al virus può anche contribuire a infezioni e infiammazioni incontrollate (37).

È anche possibile che, nonostante un test PCR nasofaringeo negativo, il virus possa essere ancora presente nel tratto gastrointestinale (38). I pazienti MIS-C mostrano sintomi gastrointestinali insolitamente gravi, dolore addominale, vomito e diarrea, oltre a grave disfunzione miocardica e shock cardiaco (5-7) e tali sintomi gastrointestinali gravi sono anche frequentemente associati alla SAg (9).

In sintesi, abbiamo fatto tre osservazioni principali: (a) PRRAR e vicini sequenziali interagiscono con i residui di TCRVβ D56, R70 ed E74 nei CDR, e questa associazione ricorda da vicino quella di SEB SAg con TCRVβ; (b) il vicino D839 partecipa a questa interazione e la sua mutazione a tirosina rafforzerebbe ulteriormente l’associazione con TCRVβ; e (c) un motivo di sequenza (N280-T286) tipico di ICAM-1 interagisce ulteriormente con il TCRVa stabilizzando / potenziando ulteriormente l’associazione tra il picco virale e il TCR della cellula ospite.

Quindi, la posa vincolante del TCR rispetto al picco consente simultaneamente tutte e tre le associazioni. Il primo è il più importante. Il 2 ° è significativo perché è il ceppo europeo.

Il terzo potrebbe conferire una maggiore adesione al virus ospite. Pertanto, le strategie utilizzate per il trattamento dello shock tossico mediato da SEB o gli approcci per bloccare l’interazione della proteina S con il TCR possono ridurre le manifestazioni iperinfiammatorie di COVID-19 sia negli adulti che nei bambini.

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