Gli scienziati che utilizzano modelli computerizzati per studiare SARS-CoV-2, il virus che ha causato la pandemia di COVID-19, hanno scoperto che il virus è più idealmente adattato per infettare le cellule umane, piuttosto che le cellule di pipistrello o pangolino, sollevando ancora una volta domande sulla sua origine.
In un articolo pubblicato sulla rivista Scientific Reports di Nature, gli scienziati australiani descrivono come hanno utilizzato la modellazione computerizzata ad alte prestazioni della forma del virus SARS-CoV-2 all’inizio della pandemia per prevedere la sua capacità di infettare gli esseri umani e una serie di di 12 animali domestici ed esotici.
Il loro lavoro mirava ad aiutare a identificare qualsiasi vettore animale intermedio che potrebbe aver giocato un ruolo nella trasmissione di un virus dei pipistrelli all’uomo e a comprendere qualsiasi rischio rappresentato dalla suscettibilità di animali da compagnia come cani e gatti e animali commerciali come mucche, pecore, maiali e cavalli.
Gli scienziati, della Flinders University e della La Trobe University, hanno utilizzato i dati genomici delle 12 specie animali per costruire faticosamente modelli al computer dei principali recettori proteici ACE2 per ciascuna specie. Questi modelli sono stati quindi utilizzati per calcolare la forza del legame della proteina spike SARS-CoV-2 recettore ACE2 ciascuna specie.
Sorprendentemente, i risultati hanno mostrato che SARS-CoV-2 si legava ad ACE2 sulle cellule umane più strettamente di qualsiasi altra specie animale testata, inclusi pipistrelli e pangolini. Se una delle specie animali testate fosse l’origine, normalmente ci si aspetterebbe che mostri il più alto legame con il virus.
“Gli esseri umani hanno mostrato il legame più forte con i picchi, coerente con l’elevata suscettibilità al virus, ma molto sorprendente se un animale fosse la fonte iniziale dell’infezione negli esseri umani”, afferma il professor David Winkler della La Trobe University.
I risultati, originariamente rilasciati sul server di prestampa ArXiv, sono stati ora sottoposti a revisione paritaria e pubblicati su Scientific Reports.
“La modellazione al computer ha scoperto che la capacità del virus di legarsi alla proteina ACE2 del pipistrello era scarsa rispetto alla sua capacità di legare le cellule umane. Ciò depone contro la trasmissione del virus direttamente dai pipistrelli all’uomo.
Quindi, se il virus ha una fonte naturale, potrebbe essere arrivato all’uomo solo attraverso una specie intermedia che deve ancora essere trovata”, afferma il professor Nikolai Petrovsky, affiliato di Flinders.
La modellazione al computer del team mostra che il virus SARS-CoV-2 è anche legato in modo relativamente forte ad ACE2 dai pangolini, un raro formichiere esotico trovato in alcune parti del sud-est asiatico con occasionali casi di utilizzo come cibo o medicine tradizionali. Il professor Winkler afferma che i pangolini hanno mostrato l’energia di legame più alta tra tutti gli animali esaminati dallo studio, significativamente più alta di pipistrelli, scimmie e serpenti.
“Mentre alcuni scienziati hanno erroneamente suggerito all’inizio della pandemia di aver trovato SARS-CoV-2 nei pangolini, ciò è dovuto a un malinteso e questa affermazione è stata rapidamente ritirata poiché il coronavirus del pangolino che hanno descritto aveva una somiglianza genetica inferiore al 90%. a SARS-CoV-2 e quindi non potrebbe essere il suo antenato”, afferma il professor Petrovsky.
Questo studio e altri hanno dimostrato, tuttavia, che la parte specifica della proteina spike del pangolin coronavirus che lega ACE2 era quasi identica a quella della proteina spike SARS-CoV-2.
“Questa condivisione della proteina spike quasi identica spiega quasi certamente perché SARS-CoV-2 si lega così bene al pangolino ACE2 . Le proteine spike di Pangolin e SARS-CoV-2 potrebbero aver evoluto somiglianze attraverso un processo di evoluzione convergente, ricombinazione genetica tra virus o attraverso l’ingegneria genetica, senza alcun modo attuale per distinguere tra queste possibilità”, afferma il professor Petrovsky.
“Nel complesso, mettendo da parte gli intriganti risultati del pangolino ACE2, il nostro studio ha dimostrato che il virus COVID-19 era molto ben adattato per infettare gli esseri umani”.
“Abbiamo anche dedotto che anche alcuni animali domestici come gatti, cani e mucche sono suscettibili all’infezione da SARS-CoV-2”, aggiunge il professor Winkler.
La questione estremamente importante e aperta su come il virus sia arrivato a infettare gli esseri umani ha attualmente due spiegazioni principali. Il virus potrebbe essere passato all’uomo dai pipistrelli attraverso un animale intermediario ancora da trovare (origine zoonotica), ma non si può ancora escludere che sia stato rilasciato accidentalmente da un laboratorio di virologia. È necessaria un’indagine scientifica approfondita e basata sull’evidenza per determinare quale di queste spiegazioni è corretta.
Come e dove il virus SARS-CoV-2 si sia adattato per diventare un agente patogeno umano così efficace rimane un mistero, concludono i ricercatori, aggiungendo che trovare le origini della malattia aiuterà gli sforzi per proteggere l’umanità dalle future pandemie di coronavirus.
I coronavirus hanno una storia di epidemie zoonotiche che occasionalmente raggiungono la trasmissione da uomo a uomo, dando origine a epidemie o pandemie come precedentemente osservato con i coronavirus della sindrome respiratoria acuta grave (SARS) e della sindrome respiratoria mediorientale (MERS) [1,2, 3]. Mentre MERS e SARS sono rimasti limitati a popolazioni relativamente più piccole, la malattia da coronavirus 2019 (COVID-19) causata dalla sindrome respiratoria acuta grave Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) ha colpito praticamente il mondo intero, devastando i sistemi sanitari e costando milioni di persone. vite.
Nel dicembre 2019, una malattia simile alla SARS con eziologia sconosciuta è stata inizialmente segnalata a Wuhan, in Cina, l’epicentro originale della pandemia. Successivamente, un virus a RNA a singolo filamento proveniente da pazienti con gravi malattie respiratorie, il nuovo betacoronavirus SARS-CoV-2 è stato determinato come agente infettivo [4].
Il nuovo coronavirus SARS-CoV-2 ha dimostrato di essere in grado di trasmettere da uomo a uomo, portando il mondo intero ad agire, imponendo blocchi, seguito dall’Organizzazione mondiale della sanità (OMS) che dichiara l’epidemia una pandemia [5 ].
La comunità scientifica ha dimostrato rigore nell’investigare il virus stesso e la sua patogenesi una volta che la sua sequenza genomica è stata rivelata. È stato rapidamente dimostrato che il genoma dell’RNA SARS-CoV-2 è lungo circa 30.000 nt, comprese le regioni codificanti e non codificanti. I due terzi del suo genoma codificano proteine non strutturali che aiutano nella replicazione del genoma e nella sintesi dell’RNA sul lato 5′.
Il resto del suo genoma codifica per diverse proteine strutturali tra cui Envelope (E), Spike (S), Nucleocapside (N) e Membrane (M). Le proteine strutturali aiutano a formare il virione e a funzionare in vari processi cellulari [6]. La proteina S è stata ampiamente studiata in quanto responsabile della formazione della proteina spike omotrimerica che si lega all’enzima di conversione dell’angiotensina 2 (ACE2) promuovendo l’internalizzazione del virus [7, 8]. La scissione proteolitica della proteina S da parte di TMPRSS2 è anche un importante determinante della fusione efficiente della membrana della cellula ospite e virale che in definitiva aiuta l’internalizzazione virale [9].
I virus a RNA sono noti per gli alti tassi di mutazione dovuti in parte alla natura veloce e incline all’errore della RNA polimerasi dipendente dall’RNA [10]. Nonostante la capacità di correzione delle bozze dell’RNA dei coronavirus [11], la pressione immunitaria e l’alto tasso di mutazione possono eventualmente portare a cambiamenti nella sequenza e nella struttura delle proteine con un potenziale impatto fenotipico, creando nuove varianti del virus.
Questo è stato finora osservato in vari casi, vale a dire la prima variante D614G, la variante danese ‘Cluster 5’, UK (B.1.1.7), sudafricano (B.1.351) e brasiliano (P.1) varianti sono emerse durante il primo anno di pandemia di COVID-19 [12,13,14,15,16] (Tabella 1). Il cambiamento dell’amminoacido N501Y è evidenziato in quanto si trova nel dominio di legame del recettore dello spike (RBD), comune a diverse varianti, comprese le varianti del Regno Unito e del Sud Africa, dove le sostituzioni K417N ed E484K sono specifiche per la variante sudafricana B.1.351 all’interfaccia ACE2 (Fig. 1).
Si pensa che queste varianti abbiano un impatto differenziale sul legame di ACE2 [17] e si pensa che abbiano potenzialmente un effetto sulla trasmissione, sull’efficacia dei vaccini e sulla progressione della malattia. Diverse altre varianti sono state segnalate dagli Stati Uniti, tra cui la “variante Columbus, Ohio” che contiene le sostituzioni N501Y e Q677H [18], nonché la variante B.1.429 contenente la sostituzione L452R che ha rapidamente dominato il pool virale nelle epidemie della California [19] e la variante a rapida diffusione di New York [20]. L’impatto di queste e altre varianti sull’efficacia, la virulenza e la patogenesi del vaccino è in fase di studio.
Tabella 1 Specifiche delle attuali varianti SARS-CoV-2 e loro capacità di trasmissione/neutralizzazione
| Nomenclatura della variante SARS-CoV-2 corrente Lineage | Origine del rilevamento | Cambiamenti proteici degni di nota | Neutralizzazione mediante anticorpi naturali o vaccini indotti | Effetto sulla trasmissione | Riferimenti |
|---|---|---|---|---|---|
| D614G | Europa | D614G | È aumentato | È aumentato | [95,96,97] |
| B.1.1.7 | UK | N501Y, H69–V70, P681H | Diminuito | È aumentato | [39, 98] |
| ‘Gruppo 5’ | Danimarca | H69–V70 Y453F | Probabilmente diminuito | Probabilmente eliminato | [99, 100] |
| B.1.351 | Sud Africa | N501Y, K417N, E484K | Diminuito | È aumentato | [38, 101] |
| P.1 | Brasile | E484K, N501Y | Diminuito | È aumentato | [39, 98] |
| B.1.427/B.1.429 | California, USA | S13I, W152C, L452R | Diminuito | È aumentato | [46, 47] |
| B.1.526 | New York, USA | E484K o S447N e D614G, A701V, D253G | Leggermente diminuito per E484K, nessun cambiamento per S447N | Probabilmente aumentato | [20, 48] |
L’ampia ricerca scientifica che ha accompagnato la pandemia di COVID-19 ha portato alla rapida produzione di test diagnostici basati sia sull’antigene che sull’acido nucleico e diversi vaccini in meno di un anno che è stata accompagnata, ma non ancora messa in ombra, dall’emergere delle varianti SARS-CoV-2 . Questa revisione evidenzierà l’impatto delle varianti sulle strategie di gestione della malattia, sulla patogenesi e sui vaccini.
Varianti di SARS-CoV-2 e patogenesi
Il modo in cui le varianti influenzeranno la patogenesi di SARS-CoV-2 è un altro argomento di preoccupazione. SARS-CoV-2 ha diversi tropismi tissutali. A causa della sua maggiore affinità ACE2, può infettare efficacemente il tratto respiratorio superiore, come il rinofaringe (spiegando anche la sua elevata trasmissibilità, insieme alla trasmissione asintomatica) a differenza di SARS-CoV [56].
Seguendo il rinofaringe, può entrare nell’ospite attraverso le cellule alveolari, le cellule endoteliali vascolari, i macrofagi alveolari e le cellule endoteliali vascolari. Anche il tratto gastrointestinale dei mammiferi è permissivo all’infezione da SARS-CoV-2 [78]. Oltre ai classici sintomi respiratori, la sindrome iperinfiammatoria, le malattie gastrointestinali, le coagulopatie, le patologie cardiache e i problemi neurologici associati al COVID-19 hanno richiesto indagini dettagliate [79,80,81].
Studi autoptici volti a comprendere i sintomi neurologici, hanno rivelato casi di colocalizzazione della proteina spike di SARS-CoV con cellule neurali/neuronali nella mucosa olfattiva di un sottogruppo di individui deceduti a causa di COVID-19. Anche la presenza di SARS-CoV-2 nel SNC di un sottogruppo di individui deceduti è stata rilevata sia tramite metodi di colorazione che di rilevamento dell’acido nucleico. Questi risultati indicano la capacità di SARS-CoV-2 di attraversare l’interfaccia neurale-mucosa nella mucosa olfattiva e di entrare nel sistema nervoso, fornendo una spiegazione ad alcuni dei sintomi neurologici osservati [82].
Considerando che nuove varianti hanno causato cambiamenti strutturali nella proteina spike, i cambiamenti nell’affinità di legame di un picco variante ad ACE2 o qualsiasi cambiamento di elaborazione da parte di TMPRSS2 o altri processi intracellulari a valle possono influenzare il tropismo tissutale delle varianti SARS-CoV-2 o potrebbero cambiare il corso dell’infezione. Il lavoro futuro dovrà delineare se il riconoscimento differenziale dell’anticorpo o l’affinità ACE2 esercitata dalle varianti sarà coinvolta nel cambiamento della patogenesi virale.
Cosa determina la gravità della malattia, impatto dei tratti biologici specifici del sesso e come le varianti possono influenzarlo
Il gran numero di persone infette da SARS-CoV-2 durante la pandemia di COVID-19 ha rivelato vari esiti della malattia in un tempo relativamente breve.
Ad esempio, mentre alcune persone non hanno sviluppato sintomi, altre hanno sofferto di malattie gravi, persino mortali. Mentre un certo numero di persone è guarito in breve tempo, altri, definiti “trasportatori a lungo raggio” o “pazienti COVID a lungo termine”, hanno sofferto di sintomi che sono durati per molti mesi. In alcune persone, l’infezione ha portato a gravi sintomi neurologici come ictus o encefalopatia, mentre altri non hanno avuto sintomi neurologici lievi come uno stato di confusione, perdita del gusto o dell’olfatto [82,83,84].
Nel tempo, le differenze legate al sesso e all’età nella progressione della malattia sono diventate evidenti. Le persone con più di 65 anni hanno avuto esiti peggiori rispetto ai pazienti più giovani e le donne hanno avuto risultati migliori rispetto agli uomini [85, 86]. La conoscenza di questi dettagli è diventata ovvia, principalmente a causa della varietà delle ricerche scientifiche condotte nel mondo sul COVID-19, a causa dell’urgenza della situazione e del gran numero di persone che hanno contratto il contagio.
La ricerca si è concentrata su come il sesso biologico influisce sulla gravità del COVID-19. I primi risultati hanno evidenziato la maggiore incidenza di malattie gravi nei maschi rispetto alle femmine. Diversi studi sui topi hanno indicato una maggiore espressione e attività per la proteina ACE2 nei maschi [87]. Oltre ad ACE2, TMPRSS2, la serina proteasi utilizzata per scindere la proteina spike per favorire l’internalizzazione virale consentendo la fusione delle membrane virali e dell’ospite, è stata segnalata per avere una maggiore espressione nei maschi a causa di livelli di androgeni più elevati [88].
Inoltre, i maschi possono soffrire di elevate risposte immunitarie infiammatorie rispetto alle donne, portando a un’infiltrazione fatale di macrofagi e monociti polmonari e a una tempesta di citochine. Studi precedenti hanno riportato un livello di proteina C-reattiva più elevato e un rapporto neutrofili/linfociti più elevato nei maschi, indicando un’elevata risposta immunitaria infiammatoria e una prognosi peggiore [86].
Un altro determinante della gravità della malattia è associato ai profili di fucosilazione degli anticorpi IgG contro SARS-CoV-2. Il livello di anticorpi IgG afucosilati mostra una correlazione con la gravità della malattia in modo tale che i pazienti affetti da COVID-19 grave abbiano livelli elevati di IgG afucosilati rispetto a quelli con sintomi lievi. Questo aumento del profilo delle IgG afucosilate amplifica la risposta delle citochine pro-infiammatorie, portando alla manifestazione acuta del caso [89].
È interessante notare che il livello di IgG RBD anti-spike afucosilato era elevato nei maschi ospedalizzati rispetto alle femmine [90]. La risposta anticorpale suscitata in presenza di diverse varianti di SARS-CoV-2 in entrambi i sessi sarà un forte determinante della progressione della malattia. Alla luce di queste informazioni, gli strumenti di indagine possono essere adattati per comprendere i livelli di fucosilazione degli anticorpi terapeutici. Inoltre, le strategie di terapia plasmatica convalescente possono essere manipolate per includere volontari con alti livelli di IgG fucosilate. Questi fattori saranno particolarmente importanti soprattutto se alcune varianti stanno effettivamente causando una prognosi peggiore o se le varianti danno origine a diversi profili anticorpali o immunitari.
Oltre ai livelli di fucosilazione delle IgG, ci sono molte altre variabili che influenzano il tasso di successo della terapia convalescente [91]. Si ritiene che la posizione sia uno dei fattori che contribuiscono all’efficacia della terapia convalescente, poiché diverse varianti tendono a circolare in aree specifiche. Si presume che i sieri ottenuti da un individuo in una certa area abbiano generato una risposta anticorpale contro una particolare variante prevalente in quell’area, quindi saranno più utili per un paziente infetto dalla stessa variante.
Essere ricoverati in ospedale con COVID-19 grave, essere più anziani e fare sesso maschile sono associati ad avere una risposta anticorpale più elevata contro SARS-CoV-2, rendendo questi individui candidati migliori come donatori di plasma [91]. Mentre i maschi hanno titoli anticorpali plasmatici più elevati, hanno anche livelli più elevati di IgG afucosilate. Considerando l’importanza del donatore di plasma in relazione alle varianti e ai profili anticorpali sesso-specifici, i criteri di selezione per la terapia convalescente dovrebbero includere variazioni sesso-specifiche, localizzazione e prevalenza delle varianti.
Non solo le varianti del picco SARS-CoV-2, ma anche le varianti del recettore ACE2 hanno dimostrato di determinare l’affinità delle interazioni ospite-virus [92, 93]. Ad esempio, le sostituzioni ACE2 K31R e E37K hanno mostrato una diminuzione dell’affinità mentre le sostituzioni K26R e T92I hanno mostrato una maggiore affinità per la proteina spike SARS-CoV-2 di tipo selvatico [93].
Alleli rari legati all’X, compresi quelli che codificano per E37K, sono osservati due volte più frequentemente nelle femmine, suggerendo che queste varianti missenso possono influenzare prevalentemente l’affinità SARS-CoV-2 nelle femmine [94]. È probabile che gli studi di modellazione associati alla valutazione dell’interazione/affinità biochimica delle sostituzioni ACE2 con le varianti di spike forniscano informazioni sul potenziale impatto specifico di genere delle varianti di spike nelle interazioni ospite-patogeno, nonché sulla suscettibilità alle varianti SARS-CoV-2.
Conclusioni
Ci si aspetta che emergano più varianti, specialmente al picco RBD poiché è sotto selezione immunitaria a causa dell’essere un importante epitopo per gli anticorpi neutralizzanti. Pertanto, sono attese più varianti con diverso riconoscimento di anticorpi e affinità ACE2. Gli studi futuri dovranno delineare la risposta immunitaria e la patogenesi associate alle nuove varianti di SARS-CoV-2. Considerando i diversi stati di riconoscimento e neutralizzazione degli anticorpi per diverse varianti, ci si può aspettare diverse risposte immunitarie a valle che potrebbero eventualmente influenzare l’esito della malattia.
Nel complesso, le nuove varianti di SARS-CoV-2 corrono il rischio di modificare la risposta immunitaria provocata dall’ospite, l’efficacia del vaccino e degli anticorpi terapeutici, la patogenesi della malattia e la prognosi. Poiché le varianti tendono ad accumularsi nell’RBD della proteina spike, l’affinità ACE2 o le modifiche del legame anticorpale possono portare a diverse patogenesi e risposte immunitarie.
Anche le terapie con anticorpi monoclonali e le opzioni di terapia al plasma convalescente dovrebbero essere adattabili alla luce delle varianti attuali o potenziali nuove. I progressi scientifici ottenuti dalla progettazione rapida e di successo di vaccini dovrebbero ora essere implementati per mantenere i vaccini efficaci contro le varianti SARS-CoV-2 attuali e potenzialmente future.
collegamento di riferimento: https://link.springer.com/article/10.1007/s12033-021-00353-4
Ulteriori informazioni: Sakshi Piplani et al, Confronto in silico delle affinità di legame della proteina spike-ACE2 di SARS-CoV-2 tra le specie e le implicazioni per l’origine del virus, rapporti scientifici (2021). DOI: 10.1038/s41598-021-92388-5
