SARS

Sep 02, 2023

Natura volume 592, pagine 122–127 (2021)Citare questo articolo

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Durante l’evoluzione della SARS-CoV-2 nell’uomo, è emersa una sostituzione D614G nella glicoproteina spike (S); il virus contenente questa sostituzione è diventato la variante circolante predominante nella pandemia di COVID-191. Tuttavia, non è noto se la crescente prevalenza di questa variante rifletta un vantaggio di fitness che migliora la replicazione e/o la trasmissione negli esseri umani o sia semplicemente dovuta agli effetti del fondatore. Qui utilizziamo varianti isogeniche di SARS-CoV-2 per dimostrare che la variante che contiene S (D614G) ha migliorato il legame con l'enzima 2 di conversione dell'angiotensina del recettore della superficie cellulare umana (ACE2), una maggiore replicazione nell'epitelio bronchiale e nasale umano primario delle vie aeree colture così come in un modello murino umano knock-in per ACE2, e una replicazione e una trasmissibilità marcatamente aumentate nei modelli di criceto e furetto di infezione da SARS-CoV-2. I nostri dati mostrano che la sostituzione D614G in S determina sottili aumenti nel legame e nella replicazione in vitro e fornisce un reale vantaggio competitivo in vivo, in particolare durante il collo di bottiglia della trasmissione. I nostri dati forniscono quindi una spiegazione per la predominanza globale della variante che contiene S(D614G) tra i virus SARS-CoV-2 attualmente in circolazione.

Alla fine del 2019, il SARS-CoV-2 è stato rilevato a Wuhan (provincia di Hubei, Cina)2,3 e ha portato rapidamente alla pandemia di COVID-19; a dicembre 2020 erano stati confermati 70 milioni di casi e 1,5 milioni di decessi attribuibili a questa malattia4. SARS-CoV-2 provoca una polmonite pericolosa per la vita in gruppi vulnerabili di persone5. L’ingresso di SARS-CoV-2 nelle cellule dipende dall’interazione di S e ACE23,6. S è una proteina di fusione omotrimerica di classe I che comprende due subunità (S1 e S2) separate da un sito di clivaggio della proteasi. S1 forma una testa globulare ed è essenziale per il legame dei recettori, mentre S2 media la fusione dell'involucro virale con le membrane della cellula ospite. Durante l'ingresso, il dominio di legame del recettore all'interno della subunità S1 si lega all'ACE2, che genera cambiamenti conformazionali nella subunità S2 e facilita l'internalizzazione del virus7,8. S(D614G) è una variante di S che contiene una sostituzione al di fuori del dominio di legame del recettore che si ritiene causi un cambiamento conformazionale nella proteina, che migliora il legame ACE2 e aumenta la probabilità di infezione1,9.

Con il progredire della pandemia, la variante SARS-CoV-2 che contiene S(D614G) (di seguito, SARS-CoV-2G614)) ha rapidamente sostituito la variante parentale (con D nella posizione dell’amminoacido 614 di S; di seguito, SARS- CoV-2D614) in frequenza per diventare dominante a livello globale. Un tale spostamento nella frequenza del genotipo potrebbe essere causato da un effetto del fondatore in seguito all'introduzione in una popolazione altamente interconnessa; in alternativa, SARS-CoV-2G614 potrebbe avere un vantaggio in termini di fitness rispetto a SARS-CoV-2D614. Alcuni studi hanno suggerito che la sostituzione D614G in S può conferire un vantaggio in termini di forma fisica al virus migliorando l'ingresso cellulare8,9. Per affrontare il ruolo della sostituzione D614G in S nella diffusione e nella predominanza di SARS-CoV-2G614 durante la pandemia di COVID-19, abbiamo caratterizzato il legame dello S con l'ACE2 umano (hACE2) e la cinetica di replica in vitro, e valutato l'infezione e la dinamica di trasmissione in vivo utilizzando tre modelli animali. I nostri dati mostrano che la sostituzione D614G in S conferisce un maggiore legame al recettore hACE2 e una maggiore replicazione nelle colture epiteliali primarie delle vie aeree umane. Inoltre, il confronto delle varianti isogeniche ricombinanti di SARS-CoV-2 dimostra che la sostituzione D614G in S fornisce un vantaggio competitivo in un modello murino knock-in hACE2 e aumenta notevolmente la replicazione e la trasmissione nei modelli di criceto siriano e furetto dell'infezione da SARS-CoV-2 .

Per misurare gli effetti della sostituzione D614G in S, abbiamo prima quantificato il legame dei monomeri del dominio S1 con hACE2 utilizzando l'interferometria del biostrato. Sia S1 che S1 (D614G) si legano in modo efficiente a hACE2; tuttavia, S1 (D614G) ha mostrato un'affinità circa due volte superiore a quella di S1 ​​(Fig. 1a, Tabella supplementare 2). Allo stesso modo, S (D614G) aveva un'affinità maggiore per hACE2 rispetto a quella di S quando venivano utilizzate forme monomeriche a lunghezza intera (Dati estesi Fig. 1a, Tabella supplementare 2). La sostituzione D614G in S ha anche comportato un maggiore legame S1 con hACE2 espresso esogenamente nelle cellule renali di criceto bambino (di seguito, cellule BHK-hACE2) (Fig. 1b, Dati estesi Fig. 1b). Il legame di S1 ​​o S1 (D614G) marcati con poliistidina alle cellule BHK-hACE2 ha mostrato che più S1 (D614G) si legava alle cellule BHK-hACE2 rispetto a S1, mediante citometria a flusso (Fig. 1b, Dati estesi Fig. 1b). Quando si utilizzano costrutti ricombinanti omodimerici comprendenti S1 attaccato a un terminale C di IgG, abbiamo osservato un effetto più notevole nell'aumento del legame della proteina S1 (D614G) alla cellula BHK-hACE2 (Fig. 1b, Dati estesi Fig. 1b).