Mutacje SARS-CoV-2

Wirusy RNA są odpowiedzialne za jedne z najgorszych pandemii i epidemii znanych ludzkości, w tym grypy (hiszpanka, ptasia grypa, świńska grypa) wirusa Ebola i SARS-CoV-2.

Jednym z głównych wyzwań w walce z RNA wirusami jest fakt, że są one niezwykle zróżnicowane genetycznie. Wirusy te mają wysoki wskaźnik mutacji, nawet milion razy wyższy niż ich gospodarze (Ryc. 1). Wysoki wskaźnik mutacji jest skorelowany z szybką adaptacją wirusa do nowych środowisk, możliwością wzrostu zjadliwości i pojawianiem się korzystnych cech dla wirusów.

Rycina 1. (1) Wiroidy – najmniejsze znane czynniki zakaźne roślin (2) wirusy, (3) fagi, (4) Prokariota, (5) Eukariota. Wartości na osiach x i y są wykładnikami potęgi o podstawie 10

Na przełomie 2019/2020 w chińskim mieście Wuhan wybuchła epidemia spowodowana nowym koronawirusem SARS-CoV-2. Do końca stycznia 2021 roku stwierdzono ponad 102 miliony przypadków zakażenia tym wirusem i ponad 2,2 miliona zgonów na świecie. Na swojej stronie, 11 marca 2020 r., organizacja WHO ogłosiła wybuch epidemii SARS-CoV-2 jako pandemię. Od tamtej pory zidentyfikowano ponad 12 tys. mutacji w sekwencji RNA kodującej wirusa liczącej prawie 30 tyś. par zasad. Mutacją nazywamy zmianę w sekwencji nukleotydowej (DNA lub w przypadku RNA wirusów, RNA). Niektóre mutacje powodują zmianę w sekwencji kodowanego przez nie białka. I tak np. mutacja dowolnego białka oznaczona jako A350P jest zamianą alaniny na prolinę w pozycji 350 tego białka. Genomy, które różnią się sekwencją często nazywane są wariantami. Termin ten jest nieco mniej precyzyjny, ponieważ dwa warianty mogą różnić się jedną mutacją lub wieloma. Mówiąc dokładniej, wariant możemy nazywać szczepem, gdy ma wyraźnie różne cechy (np. różnicę w antygenowości, zdolności przenoszenia lub zjadliwości). RNA wirusy charakteryzują się wyższym współczynnikiem mutacji (łatwej mutują) niż wirusy, w których materiałem genetycznym jest DNA. Koronawirusy, do których należy sławny w ostatnich czasach wirus SARS-CoV-2, odznaczają się mniejszym współczynnikiem mutacji niż pozostałe RNA wirusy, ponieważ posiadają mechanizmy korygujące błędy popełniane podczas replikacji. Dlaczego więc wirus SARS-CoV-2 mutuje? Odpowiedź jest prosta - aby przetrwać. W biologii takie zjawisko nazywany doborem naturalnym. Generalnie przetrwają te wirusy, w których mutacje dają przewagę konkurencyjną w odniesieniu do powielania wirusa, przenoszenia lub ucieczki przed układem odpornościowym.

 

Rycina 2.  Budowa i lokalizacja białka S wirusa SARS-CoV-2. Rycina stworzona za pomocą BioRender.com

Natomiast mutacje, które zmniejszają „sprawność” wirusa są zwykle usuwane z populacji krążących wirusów. Biorąc pod uwagę mutacje wirusa SARS-CoV-2, które zwiększają jego zdolność do przenoszenia się oraz infekcyjność, występują one głównie w obrębie sekwencji kodującej białko S (ang. SPIKE protein) tzw. białko szczytowe (ryc. 2).

Głównym zadaniem białka S jest wiązanie się do receptora na powierzchni komórki gospodarza. Białko to odpowiedzialne jest za infekcyjność wirusa. Białko S zbudowane jest z dwóch części: S1 i S2 (Ryc. 2). Fragment S1 składa się domeny N-terminalnej oraz domeny RBD (ang. Receptor Binding Domain, domeny wiążącej receptor, w przypadku komórek ludzkich jest to receptor ACE2). Fragment S2 składa się natomiast z 5 domen: domeny FP (tzw. peptydu fuzjującego), domen HR1 i HR2 oraz domen T.A. i I.T. - odpowiednio kotwicy transmembranowej i ogona wewnątrzkomórkowego (Ryc. 2). Grupa badawcza Jesse’ego Bloom’a z Cancer Research Center w Waszyngtonie stworzyła 4000 zmutowanych wersji domeny RBD białka kolca i zmierzyła, jak zmiany wpłynęły na ekspresję tego białka i jego zdolność do wiązania się z ACE2. Większość mutacji nie miała żadnego wpływu na te właściwości ani ich nie utrudniała, choć kilka z nich je poprawiło. Niektóre z tych mutacji zostały zidentyfikowane u osób z COVID-19, ale zespół Bloom’a nie znalazł żadnych oznak naturalnej selekcji dla żadnego z wariantów. Prawdopodobnie wirus wiąże się z ACE2 tak dobrze, że nie musi nic zmieniać.

Z uwagi, na fakt, że w przyrodzie może występować bardzo dużo wariantów koronawirusa SARS-CoV-2, w prezentowanym artykule skupimy się na opisaniu tych najważniejszych z punktu widzenia wirulentności. Pierwszą odkrytą mutacją w wirusie SAR-CoV-2 była mutacja D614G. Wynikiem tej mutacji jest zamiana kwasu asparaginowego (D) w pozycji 614 w obrębie białka SPIKE na glicynę (Ryc. 3). Mutacja ta jest potocznie zwana mutacją „G”. Została po raz pierwszy zidentyfikowana w Chinach pod koniec stycznia 2020 roku. Uważa się, że ta mutacja jest znacznie wydajniej przenoszona niż sekwencja występująca w oryginalnym szczepie wirusa. Dzieje się tak, ponieważ ten wariant ma od czterech do pięciu razy więcej białka SPIKE na swojej powierzchni. Mutacja D614G zastąpiła pierwotny szczep SARS-CoV-2 zidentyfikowany w Chinach i od czerwca 2020 roku szczep niosący tę mutację stał się dominującą formą wirusa krążącego na całym świecie.

Rycina 3. Struktura pierwszorzędowa białka SPIKE przedstawiająca lokalizację domen oraz miejsce występowania mutacji. Rycina stworzona za pomocą BioRender.com

Kolejną mutacją mogąca wpływać na infekcyjność wirusa SARS-CoV-2 jest mutacja tzw. duńska. Mutacja ta została po raz pierwszy zidentyfikowana na farmach norek w Danii pod koniec marca. Jest ona zlokalizowana w domenie RBD białka SPIKE. Mutacja ta powoduje zmianę tyrozyny (Y) w pozycji 453 na fenyloalaninę (F) Y453F (Ryc. 3). Obecność tej mutacji zaobserwowano w próbkach wirusa pobranych od ludzi, co wskazuje na transmisję z norki na człowieka. Mimo, iż nie ma na to dowodów przypuszcza się (głównie ze względu na lokalizację tej mutacji w obrębie domeny RBD), że może ona zwiększać infekcyjność wirusa poprzez zwiększenie odziaływania zmutowanej domeny RBD z ludzkim receptorem ACE2.

Kolejnymi zidentyfikowanymi mutacjami wirusa SARS-CoV-2 są mutacje, które zwane są potocznie brytyjską (B.1.1.7), południowoafrykańską (B1.351) i brazylijską (P1). Biorąc pod uwagę typ tych mutacji i miejsce ich występowania są one zlokalizowane w obrębie domeny RBD wiążącej receptor ACE2 na komórce gospodarza (Ryc. 3). Wszystkie trzy warianty wirusa tj. brytyjski, afrykański i brazylijski posiadają mutację N501Y. Jest to zamiana asparaginy (N) na tyrozynę (Y) w pozycji 501 białka SPIKE w obrębie domeny RBD. Mutacja ta została po raz pierwszy zidentyfikowana w Wielkiej Brytanii we wrześniu 2020 roku i była podstawą do wyodrębnienia wariantu wirusa tzw. brytyjskiego (VOC202012/01; B.1.1.7)). Mutacja ta wpływa głownie na zwiększoną zdolność do przenoszenia się wirusa. W październiku 2020 roku w Republice Południowej Afryki zidentyfikowano wariant tzw. południowoafrykański wirusa SARS-CoV-2 501 Y.V2 (B1.351). Posiada on dwie dodatkowe mutacje w domenie RBD białka SPIKE: K417N oraz E484K (Ryc. 3). Mutacje te odpowiednio powodują zamianę lizyny (K) na asparaginę (N) w pozycji 417 oraz zamianę kwasu glutaminowego (E) na lizynę (K) w pozycji 484 białka SPIKE. W styczniu 2021 roku identyczne mutacje jak w wariancie południowoafrykańskim zidentyfikowano w próbkach wirusa pochodzących z Brazylii. Z uwagi na fakt, że wariant tzw. brazylijski (P1) posiada kluczowe mutacje identyczne jak wariant południowoafrykański i różni się od południowoafrykańskiego kilkoma mutacjami w innych regionach genomu, jest on rozważany przez naukowców jako odrębny wariant, tzn. taki, który powstał niezależnie a nie został przeniesiony przez osobę chorą. Mutacje występujące w obrębie domeny RBD zarówno w wariancie południowoafrykańskim jak i brazylijskim mogą wpływać na zwiększoną zdolność obu wariantów do przenoszenia się. Dodatkowo mutacje w tych wariantach mogą obniżać efektywność działania szczepionki, jest to obecnie badane. Ponadto dostępne dane literaturowe wskazują na to, że występowanie dwóch mutacji razem: N501Y oraz K417N może znacząco ograniczyć wiązanie przeciwciał do białka SPIKE przy jednoczesnym zwiększeniu jego powinowactwa do receptora ACE2. W związku z tym, warianty południowoafrykański i brazylijski mogą okazać się niewrażliwe na działanie szczepionki, przy jednoczesnym zwiększeniu zdolności do infekowania.

Czy w związku z tym musimy obawiać się każdej mutacji, która pojawi się w wirusie SARS-CoV-2? Odpowiedź jest dość oczywista- NIE. Najprawdopodobniej większość z mutacji, które pojawią się podczas powielania się wirusa albo nie będzie miała znaczenia dla jego zjadliwości albo osłabi wirusa na tyle, że nie będzie on infekował z wystarczającą wydajnością lub ograniczy się jego zdolność replikacyjna. Takie wirusy będą się pojawiały z mniejszą częstotliwością lub od razu znikną z populacji. Natomiast potencjalnie niebezpieczne mutacje polepszające cechy wirusa są powodem do obaw. Dlatego tak ważne są prowadzone przez naukowców badania zarówno nad różnorodnością wirusa, szczepionkami jak i lekami, które mogą pomóc w walce z pandemia koronawirusa SARS-CoV-2 a także działania prewencyjne, które powodują ograniczenie jego rozprzestrzeniania.

Autorami artykułu są: dr Szymon Kubala i mgr inż. Paweł Ćwiek z Pracowni Regulacji Ekspresji Genów Instytutu Biochemii i Biofizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie

(członkowie zespołu projektu leknacovid - https://leknacovid.com/index.php/wykonawcy)

* Artykuł jest dostępny na zasadzie otwartej licencji. Można go kopiować, powielać, rozsyłać, publikować na własnych stronach pod warunkiem podania autorów publikacji oraz aktywnego linku do strony źródłowej www.leknacovid.com

 

Źródła:

Duffy, Siobain. "Why are RNA virus mutation rates so damn high?." PLoS biology 16.8 (2018): e3000003.
Callaway, Ewen. "The coronavirus is mutating-does it matter?." Nature 585.7824 (2020): 174-177.

Fratev, F. (2020). The N501Y and K417N mutations in the spike protein of SARS-CoV-2 alter the interactions with both hACE2 and human derived antibody: A Free energy of perturbation study. bioRxiv.

Huang, Y., Yang, C., Xu, X. F., Xu, W., & Liu, S. W. (2020). Structural and functional properties of SARS-CoV-2 spike protein: potential antivirus drug development for COVID-19. Acta Pharmacologica Sinica41(9), 1141-1149.

Lauring, A. S., & Hodcroft, E. B. (2021). Genetic Variants of SARS-CoV-2—What Do They Mean?. JAMA.

Starr, Tyler N., et al. "Deep mutational scanning of SARS-CoV-2 receptor binding domain reveals constraints on folding and ACE2 binding." Cell 182.5 (2020): 1295-1310.

Zhang, L., Jackson, C. B., Mou, H., Ojha, A., Peng, H., Quinlan, B. D., ... & Choe, H. (2020). SARS-CoV-2 spike-protein D614G mutation increases virion spike density and infectivity. Nature communications11(1), 1-9.

WHO: https://www.who.int/csr/don/31-december-2020-sars-cov2-variants/en/

European Centre for Disease Prevention and Control:

https://www.ecdc.europa.eu/en/publications-data/covid-19-infographic-mutations-current-variants-concern?fbclid=IwAR2Jn1aoytINHKgZ6p9CSZ1UxtAhyM0NroL7TofH1qeEWjpTuBBI4Y_jOQw