A SARS-CoV-2-tüskében kialakuló mutációk hosszabb távú, emberről emberre terjedés és emberről állatra történő átvitel során

Eredeti cikk dátuma: 2021. január 3.
Eredeti cikk címe: Mutations arising in SARS-CoV-2 spike on sustained human-to-human transmission and human-to-animal passage
Eredeti cikk szerzői: Robert F. Garry 1,2
Eredeti cikk elérhetősége: https://virological.org/t/mutations-arising-in-sars-cov-2-spike-on-sustained-human-to-human-transmission-and-human-to-animal-passage/578
Eredeti cikk státusza: végleges
Fordító(k): Kapa Noémi
Lektor(ok): Györkei Ádám
Nyelvi lektor(ok): Rét Anna
Szerkesztő(k): Pappné Tumpek Orsolya

Figyelem! Az oldalon megjelenő cikkek esetenként politikai jellegű megnyilvánulásokat is tartalmazhatnak. Ezek nem tekinthetők a fordítócsoport politikai állásfoglalásának, kizárólag az eredeti cikk írójának véleményét tükrözik. Fordítócsoportunk szigorúan politikamentes, a cikkekben esetlegesen fellelhető politikai tartalommal kapcsolatosan semmiféle felelősséget nem vállal, diskurzust, vitát, bizonyítást vagy cáfolatot nem tesz közzé.

Az oldalon található információk nem helyettesítik a szakemberrel történő személyes konzultációt és kivizsgálást, ezért kérjük, minden esetben forduljon szakorvoshoz!

Department of Microbiology and Immunology, Tulane University Medical Center, 1430 Tulane Avenue, New Orleans, Louisiana 70112 USA; E-Mail: rfgarry@tulane.edu

2. Zalgen Labs, LLC, Germantown, MD, USA

Bevezetés

A SARS-CoV és a MERS-CoV közvetlen eredete a cibetmacskákból, illetve tevékből jól dokumentált. Az emberre történő fajközi átterjedéshez ezekben a vírusokban kevés genetikai változásra van szükség (Li, 2008). Bár az evolúciós utak pontos részletei és időbeli lefolyása még nem tisztázott, az is nyilvánvaló, hogy a SARS-CoV-2 egy vagy több fajközi átterjedés (Andersen és mtsai. 2020) révén bukkant fel a béta-koronavírusok Sarbecovirus alnemzetségéből (Andersen et al. 2020; Boni et al. 2020). A SARS-CoV és a MERS-CoV vírusokkal ellentétben a SARS-CoV-2 hosszú ideje terjed emberről emberre. Bár nem szokatlan, hogy az RNS-vírusok gyorsan változnak evolúciósan, olyan mutációk alakultak ki, amelyek, úgy tűnik, hatással vannak a SARS-CoV-2 fitneszére (Kemp és mtsai. 2020; Volz és mtsai. 2020). Például a D614-es aminosavat tartalmazó SARS-CoV-2-t felváltotta a G614-es változat, mint domináns jelenlévő variáns (Volz és mtsai. 2020). A D614G szubsztitúció megszünteti a szomszédos monomer T859-es aminosavával a hidrogénkötést, ami destabilizálja a tüske trimerjét és növeli receptorkötő domén (RBD) interakcióját az angiotenzint átalakító 2ACE2 enzimmel. A COVID19-betegek felső légúti vírusterhelésének növelésével a D614G fokozhatja a SARS-CoV-2 átvitelét (Plante és mtsai. 2020).

Nemrégiben egy olyan SARS-CoV-2 változat jelent meg Nagy-Britanniában, amely 17 mutációt tartalmaz, ebből 8 a tüskefehérjét érinti (Rambaut és mtsai. 2020). Dél-Afrikában is megjelent egy ettől független származásúnak tűnő változat, szintén többszörös tüskemutációval (Pond és mtsai. 2020). A tüskemutációk a SARS-CoV-2 emberről állatra történő, fajok közötti terjedése során is megjelentek, valamint a COVID19 kísérleti modelljeinek felállításakor és a gazdaságokban és kereskedelemben előforduló állatokkal való érintkezés nem szándékos következményeként (Mahdy és mtsai. 2020). Ebben a munkában a SARS-CoV-2-tüskét érintő mutációkat gyűjtöttük össze, amelyek ezidáig megjelentek az emberről emberre terjedés során, illetve az azt követő emberről állatra történő átvitel során. Ez az összeállítás a koronavírus-tüske evolúciójának a fajok közötti transzmisszióban szerepet játszó számos, gyakran előforduló jellemzőjét mutatja be.

Módszerek

A SARS-CoV-2-tüske homológiamodellezése a SWISS-MODEL (Waterhouse és mtsai. 2018) segítségével történt, a QHD43416.1 hivatkozási számú és 6VXX pdb azonosítójú, kapcsolódást megelőző, zárt szerkezetű trimer szerkezetét mint templátot alkalmazva (Walls és mtsai. 2020) történt. Az így kapott modell rendezetlen aminosavakat tartalmaz a tüske krio-elektronmikroszkópos szerkezetében, és képes revertálni a furin hasítási helyét (FCS), valamint a prolinmutációk trimerre gyakorolt stabilizáló hatását. A többi koronavírus-tüske szerkezetéhez hasonlóan ebből a modellből is hiányzik a legtöbb C-terminális hélix (heptad repeat 2), membránproximális régió, a transzmembrán- és az intracelluláris domén.

Az emberről emberre terjedés és az emberről állatra történő átvitel szempontjából reprezentatív mutációkat hordozó tüskefehérjék a következők:

A tüskefehérjék aminosav-szekvenciáit a Clustal Omega (Sievers és mtsai. 2011) segítségével illesztettük egymáshoz.

1. ábra. Az emberekben és állatokban előforduló SARS-CoV-2-tüskemutációk összefoglalása. Piros terület: Brit (UK) variáns; kék terület: Dél-afrikai (ZA) variáns; magenta: UK és ZA variáns; sárga terület: a jelölt állatok; NTD: aminoterminális domén; RBD: receptorkötő domén.

Eredmények

A pálmasodró cibetmacska SARS-CoV-receptorkötő doménjében két aminosav (K479N és S487T) mutációja teszi lehetővé azt, hogy ez a vírus embereket fertőzzön meg (Li 2008). Ezek a változások leküzdik a fajok közötti terjedést megakadályozó határt az emberek és a cibetmacskák között, és kedvező interakciókat tesznek lehetővé az RBD és az ACE2 enzim kontakt maradványai között. A Q493 és az N501 az a két aminosav a SARS-CoV-2-ben, amely hasonló interakcióban van az ACE2 enzimmel, mint az N479 és a T487 SARS-CoV aminosavak. A brit variáns (Variant of Concern 202012/01, B.1.1.7) N501Y, valamint delH69, delV70, delY145, A570D, P681H, T716I, S982A és D1118H tüskemutációkkal rendelkezik, és becslések szerint 2020 őszén bukkant fel az Egyesült Királyságban (1. ábra). Úgy tűnik, hogy az N501Y mutáció segíti elő a pi-pi interakciót a tüskefehérje 501Y és az ACE2 41Y aminosavjai között. A Dél-Afrikai (ZA) variánsban (501Y.V2, B.1.351) szintén van N501Y mutáció, továbbá előfordulhat a D80A, D215G, K417N, E484K és A701V is (1. ábra). A brit és a dél-afrikai variánsokat már a világ más részein is kimutatták. A nigériai Redeemer’s University fertőző betegségek genetikájával foglalkozó központja (African Centre of Excellence for Genomics of Infectious Diseases, ACEGID) két olyan SARS-CoV-2-tüskeszekvenciát is azonosított, amelyben megtalálható ugyanaz a P681H, mint a brit variánsban. Ez a mutáció megváltoztatja (más Sarbecovirusokhoz képest) a leolvasási kereten kívüli inszerciót, amely minimális furinhasítási helyet hoz létre a SARS-CoV-2-tüskében (Happi és mtsai. 2020).

A SARS-CoV-2 átterjedése az emberekről az állatokra több alkalommal is megtörtént (1. ábra). Az angol és a dél-afrikai variánsban megfigyelt N501Y mutáció 6 átvitel alatt kiszelektálódott idős egerekben és a SARS-CoV-2 hatékony replikációját tette lehetővé (Sun és mtsai. 2020). Az N501Y mutáns további sorozatos átvitele a Q493H és a K417N szubsztitúciók szelekcióját váltotta ki, ami növelte a patogenitást kísérleti egérmodellekben. A K417N a dél-afrikai variánsban is megfigyelhető. A Q493H mutációval rokon Q493K növeli mind a replikációt, mind a patogenitást az egerekben (Leist és mtsai. 2020). A Q493K jellemző egy másik, 6 átvitellel előállított egérvírustörzsre (EPI_ISL_459910) is. Ez a variáns a Q675-tól az N679-ig terjedő régió delécióját is hordozza, ami úgy tűnik, hogy a Vero-sejtekben már egyetlen átvitel után kialakul (Liu és mtsai. 2020).

Több országban a SARS-CoV-2-vel fertőzött emberek nyérceket fertőztek meg prémtenyésztő farmokon (Koopmans 2021). A nyércekben megfigyelt mutációk közé tartozik az Y453F, az F486L és az N501T, amelyek mind a receptorkötő doménben vannak jelen (Lassaunière és mtsai. 2020; Oude Munnink és mtsai. 2020; 1. ábra). Az N501T cseréje elősegítheti a kötődést a nyérc ACE2 enzimjéhez, ahogyan emberekben és egerekben az N501Y teszi. Ugyanezt az N501T mutációt figyelték meg egy másik menyétféle, a görény SARS-CoV-2 sejttenyészetében (Richard és mtsai. 2020). Két furinhasítási helyet érintő mutáció fordult elő nyércekben és görényekben, az I692V, illetve az S686.

Számos esetet dokumentáltak házimacskára való átvitelről (Braun és mtsai. 2020; Hamer és mtsai. 2020; Neira és mtsai. 2020; Wu és mtsai. 2020). Az állatkertekben élő macskafélék is megfertőződtek SARS-CoV-2-vel, feltehetően emberekkel való érintkezés során. A kutyák is permisszívek a SARS-CoV-2-vel való fertőződés szempontjából (Hamer és mtsai. 2020; Sit és mtsai. 2020). A macskafélékre vagy kutyafélékre történő fajközi átterjedés során a SARS-CoV-2 többféle mutációját figyelték meg, amelyek közül néhány gyakori a más fajok közötti terjedés esetében is (1. ábra). Ugyannakor a replikáció szempontjából egyik mutáció sem tűnik létfontosságúnak ezekben a fajokban. Egy állatkerti tigrisből származó szekvencia nem mutatott semmilyen mutációt (Wang és mtsai. 2020).

Diszkusszió

A leírt mutációk négy általános csoportba oszthatók:

RBD-t érintő mutációk, amelyek különösen azért fontosak, mert az immunrendszerrel szembeni védettséget és fitneszelőnyt biztosíthatnak. Ahogy azt a SARS-CoV esetében korábban dokumentálták (Li 2008), az RBD fehérjét érintő N501Y/T mutáció szintén fontos a fajok közötti átvitel szempontjából.
A tüskemutációk másik csomópontja az amino-terminális domén (NTD), amely a virion felszínének leginkább kitett része. Van bizonyíték arra, hogy ez a régió az immunrendszeri szelekció hatására alakul ki, és előzetes bizonyíték arra nézve, hogy a delH69/delV70 változásainak legalább egyike növeli a fitneszt (Kemp és mtsai. 2020).
Az FCS-ben vagy annak közelében látható variancia gyakori a CoV természetbeni evolúciójában (Gallaher és Garry 2020). A SARS-CoV-2 fajközi terjedése közben létrejövő változások további példákat nyújtanak a tüske S1/S2 elágazásban jelenlévő és az S2’-t érintő hasítási helyeinek jelentőségére a fajok közötti terjedésben. Fontos meghatározni a konkrét változások hatását, mint például a P681H-érték változásának hatása az átterjeszthetőségre.
Számos D614G mutációval együtt előforduló tüskemutációt találtak oroszlánokban, ide tartozik a Q613R is. A tüske metastabil régióiban előforduló mutációk befolyásolhatják a 6-hélixköteg-szerkezet újbóli felvételét a vírus sejtbe jutása során, ami módosíthatja a fertőzési hatékonyságot. Egy másik, a metastabil régiót érintő mutációcsoport található a szerkezet alapjánál, amely a tüske fehérjekötődést megelőző és követő struktúrája közti átmenetben játszik szerepet, valamint fontos szereppel bír az antitestek kötődésében más 1-es osztályú virális fúziós fehérjék esetében (Hastie és mtsai. 2017).

Következtetések

Fontos feltárni a mechanizmust, amely segítségével a vírusok a különböző gazdaszervezetekhez alkalmazkodnak, és ezáltal átlépik a fajok közötti határokat, mert ez segíthet az állati eredetű fertőzések jelentette veszélyek azonosításában. Egy újonnan megjelenő kórokozó, például a SARS-Cov-2 széles körű terjedése potenciálisan további mutációkhoz vezethet, amelyek befolyásolják a továbbterjedést vagy az ellenintézkedések hatékonyságát. Az ilyen változásokra való reagáláshoz világszerte támogatni kell azt az infrastruktúrát, amelyet az Egyesült Királyságban már bevezettek a fertőző vírusos megbetegségek folyamatos megfigyelésére. A monoklonálisantitest-immunterápiás gyógyszerkészítményeket koktélként kell alkalmazni annak érdekében, hogy megakadályozzuk az egyedi antitestekkel szembeni, mutációkból adódó védelem kialakulását (Baum és mtsai. 2020). A vakcinákat úgy kell megtervezni, hogy maximalizáljuk a poliklonális immunválaszt a töbszörös védelmet nyújtó epitópokkal szemben.

Köszönetnyilvánítás

Hálás vagyok azoknak a tudósoknak világszerte, akik a SARS-CoV-2-genomszekvenciákat publikálás előtt elérhetővé tették a kutatók számára. Kristian G. Andersen, Edward C. Holmes és Andrew Rambaut létfontosságú adatokat és szakmai segítséget nyújtottak. A Garry Laboratóriumban folyó munkát a National Institutes of Health, a Coalition for Epidemic Preparedness Innovations, a Burroughs Wellcome Fund, a Wellcome Trust, a Center for Disease Prevention and Control és a European & Developing Countries Clinical Trials Partnership támogatja.

Hivatkozások

Andersen, K.G., Rambaut, A., Lipkin, W.I., Holmes, E.C., and Garry, R.F. (2020). The proximal origin of SARS-CoV-2. Nat Med 26, 450-452.

Baum, A., Fulton, B.O., Wloga, E., Copin, R., Pascal, K.E., Russo, V., Giordano, S., Lanza, K., Negron, N., Ni, M., et al. (2020). Antibody cocktail to SARS-CoV-2 spike protein prevents rapid mutational escape seen with individual antibodies. Science 369, 1014-1018.

Boni, M.F., Lemey, P., Jiang, X., Lam, T.T., Perry, B.W., Castoe, T.A., Rambaut, A., and Robertson, D.L. (2020). Evolutionary origins of the SARS-CoV-2 sarbecovirus lineage responsible for the COVID-19 pandemic. Nature microbiology 5, 1408-1417.

Braun, K.M., Moreno, G.K., Halfmann, P.J., Baker, D.A., Boehm, E.C., Weiler, A.M., Haj, A.K., Hatta, M., Chiba, S., Maemura, T., et al. (2020). Transmission of SARS-CoV-2 in domestic cats imposes a narrow bottleneck. Preprint. https://europepmc.org/article/MED/33236011 4

Gallaher, W.R., and Garry, R.F. (2020). Naturally occurring indels in multiple coronavirus spikes. Naturally occurring indels in multiple coronavirus spikes 8.

Hamer, S.A., Pauvolid-Corrêa, A., Zecca, I.B., Davila, E., Auckland, L.D., Roundy, C.M., Tang, W., Torchetti, M., Killian, M.L., Jenkins-Moore, M., et al. (2020). Natural SARS-CoV-2 infections, including virus isolation, among serially tested cats and dogs in households with confirmed human COVID-19 cases in Texas, USA. bioRxiv : https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.12.08.416339v1 6.

Happi, C., Ihekweazu, C., Nkengasong, J., Oluniyi, P.E., and Olawoye, I. (2020). Detection of SARS-CoV-2 P681H Spike Protein Variant in Nigeria. Detection of SARS-CoV-2 P681H Spike Protein Variant in Nigeria 13.

Hastie, K.M., Zandonatti, M.A., Kleinfelter, L.M., Heinrich, M.L., Rowland, M.M., Chandran, K., Branco, L.M., Robinson, J.E., Garry, R.F., and Saphire, E.O. (2017). Structural basis for antibody-mediated neutralization of Lassa virus. Science 356, 923-928.

Kemp, S.A., Harvey, W.T., Datir, R.P., Collier, D.A., Ferreira, I., Carabelli, A.M., Robertson, D.L., and Gupta, R.K. (2020). Recurrent emergence and transmission of a SARS-CoV-2 Spike deletion ΔH69/V70. bioRxiv 2020.12.14.422555; doi: https://doi.org/10.1101/2020.12.14.422555 7

Koopmans, M. (2021). SARS-CoV-2 and the human-animal interface: outbreaks on mink farms. The Lancet Infectious diseases 21, 18-19.

Lassaunière, R., Fonager, J., Rasmussen, M., Frische, A., Strandh, C.P., Rasmussen, T.B., Bøtner, A., and Fomsgaard, A. (2020). Working paper on SARS-CoV-2 spike mutations arising in Danish mink, their spread to humans and neutralization data. https://files.ssi.dk/Mink-cluster-5-short-report_AFO2 2.

Leist, S.R., Dinnon, K.H., 3rd, Schäfer, A., Tse, L.V., Okuda, K., Hou, Y.J., West, A., Edwards, C.E., Sanders, W., Fritch, E.J., et al. (2020). A Mouse-Adapted SARS-CoV-2 Induces Acute Lung Injury and Mortality in Standard Laboratory Mice. Cell 183, 1070-1085.e1012.

Li, F. (2008). Structural analysis of major species barriers between humans and palm civets for severe acute respiratory syndrome coronavirus infections. J Virol 82, 6984-6991.

Liu, Z., Zheng, H., Lin, H., Li, M., Yuan, R., Peng, J., Xiong, Q., Sun, J., Li, B., Wu, J., et al. (2020). Identification of Common Deletions in the Spike Protein of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2. J Virol 94.:e00790-20. doi: 10.1128/JVI.00790-20.

Mahdy, M.A.A., Younis, W., and Ewaida, Z. (2020). An Overview of SARS-CoV-2 and Animal Infection. Frontiers in veterinary science 7, 596391.

Neira, V., Brito, B., Agüero, B., Berrios, F., Valdés, V., Gutierrez, A., Ariyama, N., Espinoza, P., Retamal, P., Holmes, E.C., et al. (2020). A household case evidences shorter shedding of SARS-CoV-2 in naturally infected cats compared to their human owners. Emerging microbes & infections, 1-22.

Oude Munnink, B.B., Sikkema, R.S., Nieuwenhuijse, D.F., Molenaar, R.J., Munger, E., Molenkamp, R., van der Spek, A., Tolsma, P., Rietveld, A., Brouwer, M., et al. (2020). Transmission of SARS-CoV-2 on mink farms between humans and mink and back to humans. Science. epublication 10.1126/science.abe5901.

Plante, J.A., Liu, Y., Liu, J., Xia, H., Johnson, B.A., Lokugamage, K.G., Zhang, X., Muruato, A.E., Zou, J., Fontes-Garfias, C.R., et al. (2020). Spike mutation D614G alters SARS-CoV-2 fitness. Nature. epublication 10.1038/s41586-020-2895-3.

Pond, S.L., K., Wilkison, E., Weaver, S., Jame, S.E., Tegally, H., de Oliveira, T., and Martin, D. (2020). A preliminary selection analysis of the South African V501.V2 SARS-CoV-2 clade. A preliminary selection analysis of the South African V501.V2 SARS-CoV-2 clade 31.

Rambaut, A., Loman, N., Pybus, O., Barclay, W., Barrett, J., Carabelli, A., Connor, T.R., Peacock, T., Robertson, D.L., and Volz, E. (2020). Preliminary genomic characterisation of an emergent SARS-CoV-2 lineage in the UK defined by a novel set of spike mutations. Preliminary genomic characterisation of an emergent SARS-CoV-2 lineage in the UK defined by a novel set of spike mutations 16.

Richard, M., Kok, A., de Meulder, D., Bestebroer, T.M., Lamers, M.M., Okba, N.M.A., Fentener van Vlissingen, M., Rockx, B., Haagmans, B.L., Koopmans, M.P.G., et al. (2020). SARS-CoV-2 is transmitted via contact and via the air between ferrets. Nature communications 11, 3496.

Sievers, F., Wilm, A., Dineen, D., Gibson, T.J., Karplus, K., Li, W., Lopez, R., McWilliam, H., Remmert, M., Söding, J., et al. (2011). Fast, scalable generation of high-quality protein multiple sequence alignments using Clustal Omega. Molecular systems biology 7, 539.

Sit, T.H.C., Brackman, C.J., Ip, S.M., Tam, K.W.S., Law, P.Y.T., To, E.M.W., Yu, V.Y.T., Sims, L.D., Tsang, D.N.C., Chu, D.K.W., et al. (2020). Infection of dogs with SARS-CoV-2. Nature 586, 776-778.

Sun, S., Gu, H., Cao, L., Chen, Q., Yang, G., Li, R.-T., Fan, H., Ye, Q., Deng, Y.-Q., Song, X., et al. (2020). Characterization and structural basis of a lethal mouse-adapted SARS-CoV-2. bioRxiv doi: https://doi.org/10.1101/2020.11.10.377333 10.

Volz, E., Hill, V., McCrone, J.T., Price, A., Jorgensen, D., O’Toole, Á., Southgate, J., Johnson, R., Jackson, B., Nascimento, F.F., et al. (2020). Evaluating the Effects of SARS-CoV-2 Spike Mutation D614G on Transmissibility and Pathogenicity. Cell.
doi: 10.1016/j.cell.2020.11.020. Online ahead of print.

Walls, A.C., Park, Y.J., Tortorici, M.A., Wall, A., McGuire, A.T., and Veesler, D. (2020). Structure, Function, and Antigenicity of the SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein. Cell 181, 281-292.e286.

Wang, L., Mitchell, P.K., Calle, P.P., Bartlett, S.L., McAloose, D., Killian, M.L., Yuan, F., Fang, Y., Goodman, L.B., Fredrickson, R., et al. (2020). Complete Genome Sequence of SARS-CoV-2 in a Tiger from a U.S. Zoological Collection. Microbiol Resour Announc 9. epublication 10.1128/mra.00468-20

Waterhouse, A., Bertoni, M., Bienert, S., Studer, G., Tauriello, G., Gumienny, R., Heer, F.T., de Beer, T.A.P., Rempfer, C., Bordoli, L., et al. (2018). SWISS-MODEL: homology modelling of protein structures and complexes. Nucleic Acids Res 46, W296-w303.

Wu, L., Chen, Q., Liu, K., Wang, J., Han, P., Zhang, Y., Hu, Y., Meng, Y., Pan, X., Qiao, C., et al. (2020). Broad host range of SARS-CoV-2 and the molecular basis for SARS-CoV-2 binding to cat ACE2. Cell discovery 6, 68