Gli autori dello studio affermano che ciò potrebbe rendere molto più difficile la completa eliminazione del virus dal corpo di una persona infetta, mediante i propri anticorpi o mediante trattamenti anticorpali terapeutici.
COVID-19 continua a spazzare il mondo causando ricoveri e morti, danneggiando comunità ed economie in tutto il mondo. Le successive varianti di preoccupazione (VoC), hanno sostituito il virus originale di Wuhan, sfuggendo sempre più alla protezione immunitaria offerta dalla vaccinazione o dai trattamenti con anticorpi.
In una nuova ricerca, comprendente due studi pubblicati in parallelo su Nature Communications, un team internazionale guidato dal professor Imre Berger dell’Università di Bristol e dal professor Joachim Spatz del Max Planck Institute for Medical Research di Heidelberg, entrambi direttori del Max Planck Bristol Center di Minimal Biology, mostrano come il virus può evolversi distintamente in diversi tipi cellulari e adattare la sua immunità nello stesso ospite infetto.
Il team ha cercato di studiare la funzione di una tasca su misura nella proteina spike SARS-CoV-2 nel ciclo di infezione del virus. La tasca, scoperta dal team di Bristol in una precedente svolta, ha svolto un ruolo essenziale nell’infettività virale.
Aveva cambiato forma rispetto al virus originale, ma la tasca che avevamo scoperto era lì, inalterata”. Curiosamente, BrisDelta, si presenta come una piccola sottopopolazione nei campioni prelevati dai pazienti, ma sembra infettare alcuni tipi cellulari meglio del virus che ha dominato la prima ondata di infezioni.
Credito: Christine Toelzer
Il dottor Kapil Gupta, autore principale dello studio BrisDelta, spiega: “I nostri risultati hanno mostrato che si possono avere diverse varianti di virus nel proprio corpo. Alcune di queste varianti possono utilizzare i reni o le cellule della milza come nicchia per nascondersi, mentre il corpo è impegnato a difendersi dal tipo di virus dominante. Ciò potrebbe rendere difficile per i pazienti infetti sbarazzarsi completamente di SARS-CoV-2”.
Il team ha applicato tecniche di biologia sintetica all’avanguardia, imaging all’avanguardia e cloud computing per decifrare i meccanismi virali al lavoro. Per comprendere la funzione della tasca, gli scienziati hanno costruito nella provetta virioni sintetici SARS-CoV-2, che imitano il virus ma hanno il grande vantaggio di essere sicuri, poiché non si moltiplicano nelle cellule umane.
Utilizzando questi virioni artificiali, sono stati in grado di studiare l’esatto meccanismo della tasca nell’infezione virale. Hanno dimostrato che dopo il legame di un acido grasso, la proteina spike che decorava i virioni cambiava la loro forma. Questo meccanismo di cambio di “forma” nasconde efficacemente il virus dal sistema immunitario.
Il dottor Oskar Staufer, autore principale di questo studio e membro congiunto del Max Planck Institute di Heidelberg e del Max Planck Center di Bristol, spiega: meno visibili al sistema immunitario. Questo potrebbe essere un meccanismo per evitare il rilevamento da parte dell’ospite e una forte risposta immunitaria per un periodo di tempo più lungo e aumentare l’efficienza totale dell’infezione”.
“È interessante notare che la stessa caratteristica ci offre anche un’opportunità unica per sconfiggere il virus, proprio perché è così conservato, con una molecola antivirale su misura che blocca la tasca”. Halo Therapeutics, un recente spin-out dell’Università di Bristol fondato dagli autori, persegue esattamente questo approccio per sviluppare antivirali pan-coronavirus che legano le tasche.
Questo studio mira a determinare fino a che punto le mutazioni osservate nei grandi set di dati del genoma SARS-CoV-2 possono perturbare la risposta citotossica umana contro questo virus. Questo impatto è stato studiato in molecole HLA di classe I che coprono praticamente la popolazione umana nel suo insieme e, con particolare attenzione, a sottoinsiemi con repertori di ligandi SARS-CoV-2 ridotti.
In generale, la variabilità umana e del patogeno può influenzare notevolmente la risposta del CD8+, che può influenzare l’esito dell’infezione. Alcune combinazioni di aplotipi HLA di classe I e genomi virali sembrano compensare ulteriormente l’equilibrio verso una risposta citotossica insufficiente e, quindi, una probabile prognosi sfavorevole.
La sorveglianza delle varianti virali di fuga effettuata in questo studio potrebbe quindi aiutare a migliorare la maggiore suscettibilità a COVID-19 nelle sottopopolazioni progettando contromisure appropriate.
(A) Numero di alleli con ≤ 20 epitopi rispetto al numero totale di alleli per le famiglie HLA dei tre loci. Le famiglie senza alcun allele con ≤ 20 epitopi non sono rappresentate. (B) Numero medio di epitopi di fuga, mediante sostituzioni o eliminazioni, rispetto al numero totale medio di epitopi per le otto famiglie di alleli con il minor numero di epitopi. (C) Pannello della mappa del mondo che indica la presenza di campioni di popolazione portatori di alleli delle otto famiglie con il minor numero di epitopi e isolati con mutazioni di fuga per queste famiglie. Le frequenze degli alleli familiari sono classificate per colore sia per i campioni della popolazione maggioritaria (scala rossa) che per quelli della sottopopolazione (scala blu). È stato considerato solo il campione di frequenza più alta per paese. La mappa AB*83 non viene mostrata a causa della prevalenza estremamente bassa di questa famiglia di alleli. Le sfere in verde indicano la presenza di isolati con mutazioni di escape per la famiglia di alleli raccolti in quel paese. Il diametro della sfera è proporzionale al numero totale di questi isolati. Le sostituzioni e le delezioni di fuga degli epitopi per le otto famiglie di alleli con il minor numero di epitopi sono elencate su S6 e S7 Tabelle, rispettivamente. Il livello di base per la mappa del mondo è stato scaricato da https://naturalearthdata.com/downloads/50-m-cultural-vectors/50m-admin-0-details/ .
https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1009726.g009
La valutazione sperimentale della risposta immunitaria di ogni allele umano associato a ciascuna variante virale non è fattibile. I metodi computazionali possono facilitare questo compito e generare nuove ipotesi, altrimenti trascurate. Studi bioinformatici pionieristici si sono concentrati sulla previsione degli epitopi citotossici di un sottoinsieme limitato di alleli HLA comuni rispetto al ceppo virale di riferimento [12,19,22,25]. Precedenti rapporti di alto livello hanno esplorato lo spazio epitopico del virus con diversi scopi come la valutazione della prevalenza geografica delle combinazioni allele-peptidi [26] e la progettazione di vaccini a base di epitopi [27].
Tuttavia, SARS-CoV-2 si è sostanzialmente evoluto dopo più di un anno di pandemia, risultando in un panorama di combinazione uomo-virale di immensa scala accessibile solo utilizzando tecniche automatizzate. Per schermare la dinamica citotossica del genoma, è essenziale stimare le mutazioni e l’utilizzo del concetto di supertipo e degli alleli suscettibili e l’analisi sistemica delle combinazioni di mutazioni in isolati potenzialmente emergenti.
Si prevedeva computazionalmente che grandi numeri di epitopi fossero presentati dalla maggior parte dei supertipi. Sebbene tutti questi supermotivi apparissero mutati in almeno un isolato, la maggior parte di queste mutazioni non ha superato la degenerazione del supermotivo. Nella maggior parte dei casi, l’affinità di legame HLA è stata ragionevolmente mantenuta ad eccezione di (i) sostituzioni di residui nella seconda e nella posizione C-terminale del nucleo del ligando, amminoacidi che di solito sono motivi di ancoraggio; e (2) grandi delezioni che hanno completamente rimosso l’epitopo.
Ad esempio, la mutazione Spike-W152C e le delezioni nell’intervallo 6342–6432 in ORF1ab hanno rimosso diversi epitopi a livello di supermotivi e sono stati accoppiati a molti altri cambiamenti. Rispetto alla persistenza di queste mutazioni di fuga, è probabile che le sostituzioni puntiformi siano meno inclini a imporre una forma fisica drammatica, sebbene alcune delezioni estese abbiano anche dimostrato di essere compatibili con l’infezione e la trasmissione [28,29]. Grandi delezioni sono state correlate al progressivo adattamento all’ospite e alla ridotta virulenza [30,31], ma la loro stabilità a medio termine dovrebbe essere analizzata caso per caso.
Una questione centrale è se le mutazioni di fuga si siano accumulate longitudinalmente nei genomi dei singoli isolati. In tal caso, tali ceppi emergenti avrebbero acquisito, o sarebbero in procinto di acquisire, una maggiore capacità di infettare individui precedentemente in grado di attivare un’efficace risposta citotossica. Tuttavia, l’emergere di questo fenotipo impegnativo non sarebbe prevedibile dopo l’esame dello spazio genomico del virus effettuato in questo studio.
Anche la linea in avanti delle varianti mutate a questo riguardo combinava solo numeri bassi (<15%) di supermotivi di fuga di un dato supertipo. I supermotivi intatti rimanenti, altri loci HLA di classe I e l’eterozigosi dovrebbero compensare le mutazioni di fuga, a condizione che il pool di linfociti naïve sia sufficientemente alto e che l’innesco della risposta innato-adattivo sia correttamente coordinato. In particolare, le risposte umorali e CD4+ rimarrebbero probabilmente attive e sarebbero sufficienti in molti casi.
Pertanto, concludiamo che la natura sistemica della risposta immunitaria si traduce nella maggior parte dei soggetti sani che rimangono competenti a rispondere contro le varianti. L’unica eccezione che minaccia moderatamente la ridondanza del supertipo è stata il supertipo B27 con isolati che trasmettono mutazioni elusive fino al 33% di questi supermotivi. Questo supertipo è comune in molte popolazioni come, in particolare, negli Inuit [32], che possono essere esposti a isolati “Nord America” con supermotivi B27 disabilitati.
È importante sottolineare che i nostri risultati supportano che VOC e VUM sono essenzialmente privi di mutazioni di fuga citotossiche. L’unico esempio degno di nota è il ceppo epsilon, che porta la relativa mutazione spike-W152C [33]. Tuttavia, non dovrebbe essere esclusa l’emergere di isolati alternativi che subiscono l’accumulo graduale di marcatori genetici per ottenere una resistenza citotossica estesa. Ciò può essere favorito considerando l’espansione esplosiva del virus in tutto il mondo.
Lo spazio mutazionale sarebbe in pratica ridotto a causa del potenziale antagonismo tra la pressione di evasione citotossica e le restrizioni strutturali-funzionali delle proteine. Tuttavia, una frazione considerevole della popolazione umana è stata infettata dal virus, che rappresenta innumerevoli cicli di replicazione e tentativi di infezione. Alcune varianti sono state collegate da altri gruppi scientifici a diversi fenotipi clinici come l’aumento della mortalità [34] e la fuga di anticorpi [35].
Allo stesso modo, la mutazione progressiva e la ricombinazione in SARS-CoV-2 possono plausibilmente raggiungere un numero critico di mutazioni di fuga del supermotivo che costituiscono collettivamente un vantaggio selettivo. Alcuni isolati identificati sembravano aver subito un numero di questi cambiamenti superiore al previsto a causa del rumore genetico e potrebbero aver avviato il processo guidato dall’evasione.
D’altra parte, secondo il nostro studio computazionale, si è già verificato uno scenario preoccupante per circa il 10% circa degli alleli in grado di legare un numero ridotto di ligandi dal proteoma SARS-CoV-2. Tra queste primeggiavano le famiglie di alleli A 74, B 82 e C 18, di origine dell’Africa subsahariana, e la famiglia C 46, di origine dell’Estremo Oriente. La perdita o la debilitazione della risposta citotossica renderebbe questi individui troppo dipendenti dalla risposta umorale, che in alcuni casi può essere inefficiente durante l’infezione primaria (1). Questo può essere molto rilevante quando questi alleli sono combinati nello stesso aplotipo, in particolare quando in omozigosi.
La sottoprotezione può esacerbarsi se questi individui vengono infettati da queste varianti di fuga. Data la loro bassa ridondanza degli epitopi, un numero molto limitato di mutazioni virali, come quelle identificate in questo studio, può essere sufficiente per aggirare sia le risposte citotossiche primarie che quelle della memoria T.
La coesistenza geografica di varianti virali che sperimentano lo switch dell’epitopo rispetto ad alcune molecole HLA di classe I e individui che esprimono questi alleli possono esercitare una pressione selettiva immediata. Ciò può causare una diffusione dilagante di ceppi emergenti in queste nicchie con conseguenze cliniche locali.
La maggior parte degli isolati ad alto rischio di ottenere mutazioni critiche per alterare i repertori di ligandi CD8+ in queste famiglie sono stati trovati in “Nord America” dove alcuni afroamericani e sottopopolazioni asiatiche portavano questi alleli. Se questi immunotipi con ligandomi SARS-CoV-2 ulteriormente ridotti hanno subito una selezione positiva garantisce una massiccia genotipizzazione HLA locale e sequenziamento virale. Alcuni di questi alleli possono essere ancestralmente specializzati in singoli agenti patogeni, ma incapaci di essere efficaci contro le infezioni virali internazionali come riportato per Dengue [36], HIV [37] e influenza [38].
Gli approcci bioinformatici soffrono di limitazioni intrinseche. Questi includono la possibile applicazione di soglie biologicamente inadeguate e prestazioni predittive potenzialmente basse. Inoltre, gli alleli considerati negli algoritmi tanto quanto l’inestimabile campionamento del genoma da parte dello sforzo di sequenziamento mondiale rappresentano ancora una sottostima della variabilità biologica.
Tali ostacoli sono stati affrontati in questo studio: (i) utilizzando un algoritmo all’avanguardia che consente previsioni a grana fine quasi universali; (ii) l’applicazione di rigorosi cutoff che riflettano la naturale rigidità del legame ligando-HLA; (iii) il ricalcolo dell’affinità di legame peptidico per ciascuna mutazione; e (iv) l’utilizzo di un ampio set di dati di genomi virali e dei relativi metadati.
Le mutazioni sono state stratificate per occorrenza, riduzione dell’affinità di legame HLA e disseminazione geografica. Pertanto, l’integrazione dei dati omici e dell’immunoinformatica in questo studio molto probabilmente cattura, nonostante gli inconvenienti, le principali tendenze che rispondono alle domande poste.
In conclusione, qui forniamo un archivio completo delle mutazioni di fuga previste in un recente campionamento del genoma NCBI di SARS-CoV-2. Fortunatamente, l’accumulo di queste mutazioni in singoli isolati non sembra ancora abbastanza vicino da essere allarmante a livello di popolazione globale. Tuttavia, gli isolati portatori di mutazioni in grado di ignorare la risposta CD8+ limitata in alcuni alleli e aplotipi stanno già co-circolando con individui portatori di queste molecole HLA di classe I.
Le varianti emergenti di SARS-CoV-2 possono aumentare ulteriormente la suscettibilità delle comunità altamente vulnerabili e dovrebbero essere attivamente esaminate per coordinare le contromisure appropriate. A questo proposito, i gasdotti bioinformatici che operano in modo tempestivo possono svolgere un ruolo insostituibile nella protezione contro questa e altre minacce pandemiche.
link di riferimento: https://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1009726
Ulteriori informazioni: Kapil Gupta et al, Structural insights in cell-type specific evolution of intra-host diversity by SARS-CoV-2, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-021-27881-6
Oskar Staufer et al, I virioni sintetici rivelano l’immunogenicità adattiva accoppiata agli acidi grassi della glicoproteina spike SARS-CoV-2, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-28446-x
