Enigmatyczny SARS-CoV-2

Justyna Miłek-Krupa 29 Kwi, 7 minut czytania

Autorki: mgr Justyna Miłek-Krupa, Prof. Katarzyna Domańska-Blicharz

 

Żyjemy w czasach, w których choroba wirusowa zdemolowała normalne życie niemal na całym świecie. Nazwa tej choroby odzwierciedla czynnik ją wywołujący – nowy koronawirus nCoV-2019 (COronaVIrusDisease-19), który ostatnio przemianowano na koronawirus 2 ciężkiego ostrego zespołu oddechowego (SARS-CoV-2). Choroba COVID-19 objawia się suchym kaszlem, podwyższoną temperaturą ciała, a w cięższych przypadkach zapaleniem płuc. Szczególnie narażeni są ludzie starsi i ze współistniejącymi chorobami. Choroba rozprzestrzeniała się tak szybko (118 000 przypadków, w tym 4 291 śmiertelnych w 114 krajach), że 11 marca 2020 Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) użyła do opisu zaistniałej sytuacji słowa pandemia. Jest to pierwsza pandemia spowodowana przez koronawirusa. W minionych 10 latach tylko raz mieliśmy do czynienia z pandemią, w latach 2009/2010 wywołał ją wirus grypy podtypu H1N1 (tzw. „świńska” grypa) powodując zgon kilkuset tysięcy osób na świecie.

Niezwykle frapujący jest fakt, że tak niewielki mikroorganizm, niewidoczny nawet pod mikroskopem świetlnym zaraził tak dużo ludzi i spowodował tak duże spustoszenie w gospodarce światowej. Świat nauki wciąż próbuje odpowiedzieć na szereg pytań dotyczących tego enigmatycznego wirusa, tutaj zaś spróbujemy pokrótce podsumować dotychczasową wiedzę, która pomogłoby nam lepiej zrozumieć zaistniałą sytuację.

Pierwotnie słowo wirus pochodzi z łaciny i oznacza trującą ciecz, a użyto go do określenia „czynnika filtrowalnego, który wywołuje chorobę”. Szacuje się, że na Ziemi jest ok. 1031 wirusów. To astronomicznie duża liczba, gdybyśmy ułożyli te wszystkie istniejące na ziemi wirusy obok siebie, to pokryłyby one odległość 100 milionów lat świetlnych. Na szczęście większość z nich to bakteriofagi, czyli wirusy zakażające bakterie. Liczba wirusów, które są w stanie zakażać ludzi, w 2012 r. wyniosła 219 i niestety ostatnio została zwiększona o co najmniej jeden. Wszystkie wirusy to molekularne pasożyty, które nie są w stanie replikować poza komórką gospodarza. Po wniknięciu do niej wirus przejmuje kontrolę nad maszynerią komórkową, zmuszając ją do generacji wirusów potomnych. Poza komórką gospodarza, wirus pakuje się w pojedyncze zakaźne cząstki zwane wirionami. Substancja chemiczna wchodząca w skład wirionu różni się w zależności od wirusa i jest ważnym wyróżnikiem wykorzystywanym w klasyfikacji wirusów. Wirion zazwyczaj zawiera genom złożony z jednego lub kilku segmentów jedno- lub dwuniciowego DNA lub RNA. Genom otoczony jest przez specyficzny płaszcz zwany kapsydem zbudowany z wirusowych białek strukturalnych. w niektórych wirusach kapsyd dodatkowo otoczony jest błoną cukrowo-lipidową zwana osłonką.

Koronawirusy (z ang. coronaviruses – CoVs) należą do rodziny Coronaviridae, podrodziny Orthocoronavirinae i stanowią zróżnicowaną grupę patogenów zdolnych do zakażania licznych gatunków ptaków i ssaków, w tym również człowieka. Wywołują one szerokie spektrum chorób ze strony układu oddechowego, pokarmowego, wydalniczego, a w niektórych przypadkach również nerwowego. Cząstki wirusowe koronawirusów mają średnicę 120-160 nm i zbudowane są z rdzenia w postaci genomowego RNA zawartego w kapsydzie otoczonym dodatkowo dwuwarstwową osłonką lipidową. Wystające ponad powierzchnią osłonki maczugowate wypustki o długości 20 nm, w mikroskopii elektronowej tworzą obraz otaczającej wirus korony, co zadecydowało o nazwie rodziny. Oprócz białka wypustek (ang. spike – S) w skład kapsydu wchodzą również dwa inne biała strukturalne tj. małe białko otoczkowe (ang. envelope – E) oraz białko membranowe (ang. membrane – M). W przypadku niektórych koronawirusów (np. SARS-CoV) występuje dodatkowe białko strukturalne esteraza hemaglutyniny (ang. hemagglutynin esterase – HE). Materiał genetyczny wraz z białkiem nukleokapsydu (N) tworzy rybonukleoproteinę zwiniętą w ciasny heliks. Koronawirusy posiadają genom w postaci jednoniciowego RNA o polarności dodatniej. Dodatnia polarność RNA oznacza, że może ona pełnić jednocześnie funkcję mRNA, na bazie której syntetyzowane jest białko. Wielkość genomu waha się od 27 do 32 kb (kilo par zasad) co sprawia, że jest to jeden z największych genomów wśród wirusów RNA. Wszystkie CoVs wykazują podobną organizację genomu, który można opisać skrótowo jako 5’-pol1ab-S-E-M-N-3’. Dwie trzecie genomu, począwszy od końca 5’ obejmują dwie zachodzące na siebie otwarte ramki odczytu (ORF1a/1b), kodujące białka RNA-zależnej polimerazy RNA (RdRp) enzymu niezbędnego w replikacji wirusa. Pozostała 1/3 genomu od końca 3’ koduje białka strukturalne S-E-M-N oraz niskocząsteczkowe białka pomocnicze, których liczba i charakter są zmienne w zależności od gatunku, a nawet szczepu CoVs. Pomimo, że białka pomocnicze nie są niezbędne do replikacji wirusa, to uważa się, iż mogą pełnić rolę w wirulencji wirusa. Na chwilę obecną rola dodatkowych białek CoVs w dużej mierze pozostaje nieznana. Spośród czterech białek strukturalnych to właśnie glikoproteina S pełni kluczową rolę w początkowym etapie infekcji komórek gospodarza przez CoVs. Odpowiada za wiązanie cząstek wirusowych do receptorów powierzchniowych oraz indukuje fuzję z błonami komórkowymi, co za tym idzie wniknięcie wirusa do wnętrza komórki. Kolejnym białkiem najliczniej występującym w otoczce CoVs jest białko M, odpowiedzialne za składanie cząstek wirusowych i kształtowanie osłonki wirusowej. Białko nukleokapsydu (N) wiąże genomowe RNA i odpowiada za jego upakowanie w długi helikalny kompleks nukleokapsydu. Najmniejszym i jednocześnie najmniej licznym białkiem strukturalnym jest transbłonowe białko otoczki (E) i odpowiada za proces składania i uwalniania wirusów potomnych z komórek gospodarza, a więc również za jego patogenezę CoVs.

Replikacja i transkrypcja RNA koronawirusów odbywa się w cytoplazmie zainfekowanych komórek. Zakażenie komórki rozpoczyna faza adsorpcji cząstek wirusa do określonych receptorów powierzchniowych za pomocą białka S, a dokładnie podjednostki S1 tego białka. Receptor gospodarza jest głównym wyznacznikiem patogenności oraz tropizmu tkankowego CoVs. W zależności od gatunku, koronawirusy wykorzystują różne receptory. Uważa się, że białko S wirusa SARS-CoV-2 rozpoznaje podobnie jak SARS-CoV tzw. receptory ACE2, występujące na powierzchni pęcherzyków płucnych. Receptory ACE2 mogą występować w wielu odmianach (wariantach) i to ich budowa może potencjalnie wpływać na różną podatność na infekcję koronawirusami. Przypuszcza się, że podobna zależność występuje w przypadku obecnego koronawirusa SARS-CoV-2. Wniknięcie wirusa do komórki wymaga proteolitycznego przecięcia białka S przez proteazę. Zmiana jego konformacji umożliwia mieszanie błon komórki gospodarza i osłonki wirusa, prowadząc do ich fuzji, utworzenia endosomów i ostatecznie do uwolnienia wirusowego RNA do cytoplazmy. W momencie, gdy genom wirusa znajdzie się w komórce gospodarza rozpoczyna się kolejny etap cyklu replikacyjnego CoVs, w którym na matrycy genomowego RNA zachodzi translacja genu replikazy, a powstały enzym kontynuuje replikację i syntezę genomowego RNA. Z kolei na rybosomach związanych z retikulum endoplazmatycznym zachodzi translacja subgenomowych cząsteczek RNA i synteza białek wirusowych, które wraz z powstałym w wyniku replikacji RNA są transportowane do wnętrza retikulum, gdzie następuje składanie niedojrzałych cząstek wirusowych zawierających genomowe RNA w postaci nukleokapsydu. Proces formowania kompletnych cząstek wirusowych następuje w specjalnych miejscach aparatu Golgiego, skąd są transportowane w strukturze dużych pęcherzyków do błony cytoplazmatycznej. W wyniku fuzji błon tych struktur wirusowa cząstka potomna zostaje uwolniona z komórki bez jej lizy.

Koronawirusy podobnie jak inne wirusy RNA cechują się dużą zmiennością genetyczną, która może wpływać na ich właściwości biologiczne począwszy od patogenności, adaptacji do nowych gospodarzy, po możliwość pojawiania się chorób zakaźnych o nieznanym wcześniej przebiegu klinicznym. U podstaw pojawiających się zmian genetycznych leżą dwa najważniejsze mechanizmy tj. mutacje, prowadzące do powstawania małych, lokalnych zmian w sekwencji RNA oraz rekombinacje czyli wymiana fragmentów genomu zachodząca pomiędzy różnymi wirusami. W ostatnim czasie wśród podstaw zmienności koronawirusów i ich ewolucji wymienia się jeszcze jeden mechanizm – pozyskiwanie i gubienie genów (ang. gene gains and losses). Podstawowym źródłem mutacji są błędy wynikające z szybkiej i nieprecyzyjnej replikacji kwasu rybonukleinowego przez RNA-zależną polimerazę RNA. W procesie tym, krytycznym dla zjawiska zmienności jest brak mechanizmów naprawczych, bowiem enzym ten posiada bardzo ograniczoną aktywność egzonukleazy 3’-5’ weryfikującej poprawność wstawianych nukleotydów. Pojawiające się w genomie koronawirusów mutacje, w zależności od rodzaju zachodzących zmian można podzielić na mutacje punktowe, delecje oraz insercje. Dotyczą one odpowiednio zmian pojedynczych nukleotydów, jak też większej liczby zasad. Mutacje punktowe mogą mieć charakter synonimiczny, nie powodując zmian aminokwasu w powstającym białku, ale mogą także skutkować zmianą jednego kodonu na drugi, wyznaczając inny aminokwas. Mutacje zmiany sensu tzw. mutacje niesynonimiczne wpływają na funkcję białka, jak również mogą decydować o zmianach fenotypowych. Proces nagromadzenia powstałych mutacji określany jest mianem dryfu genetycznego. Drugim szeroko rozpowszechnionym mechanizmem warunkującym zmienność koronawirusów jest zjawisko rekombinacji. W procesie rekombinacji dochodzi do wymiany fragmentu genomu pomiędzy rodzicielskimi cząsteczkami RNA. Warunkiem jego zaistnienia jest obecność dwóch lub więcej koronawirusów w tym samym czasie i miejscu. W efekcie przetasowania sekwencji genomowych powstają potomne cząstki wirusowe zawierające informację genetyczną w innej kombinacji niż wyjściowe szczepy rodzicielskie. Zjawisko pozyskiwania i gubienia genów najlepiej poznano w przypadku koronawirusów ludzkich SARS oraz MERS i dotyczy głównie genów białek pomocniczych. Nabycie lub strata takich genów może prowadzić do drastycznych zamian w fenotypie wirusa – adaptację do innego gospodarza, zdolność do unikania jego odpowiedzi immunologicznej czy zjadliwość wirusa.

Zmienność koronawirusów widoczna jest także w ich taksonomii. Podrodzina Orthocoronavirinae obejmuje cztery rodzaje: Alpha-, Beta- , Gamma- Deltacoronavirus, wyodrębnione na podstawie różnic genetycznych w obszarze kodującym enzym polimerazę. Ogólnie przyjmuje się, że alfa- i betakoronawirusy zakażają tylko różne gatunki ssaków, z kolei gamma- i deltakoronawirusy – różne gatunki ptaków, chociaż pewne z nich mogą także zakażać niektóre ssaki. Aktualna sytuacja wskazuje, że patogenami ludzkimi jest siedem koronawirusów. Spośród alfakoronawirusów dwa: HCoV-NL63 i HCoV-229E, natomiast spośród betakoronawirusów pięć: HCoV-OC43, HKU1, SARS-CoV, MERS-CoV oraz czynnik bieżącej pandemii SARS-CoV-2. Cztery spośród tych siedmiu ludzkich koronawirusów (HCoV-NL63, HCoV-229E, HCoV-OC43 i HKU1) wywołują łagodne infekcje górnych dróg oddechowych, chociaż czasami, szczególnie u niemowląt, małych dzieci czy osób starszych choroba może być poważniejsza. Szacuje się nawet, że ok 20-30% sezonowych przeziębień ludzi ma podłoże koronawirusowe. Pozostałe trzy są wysoce patogenne tj. SARS-CoV, MERS-CoV oraz SARS-CoV-2 powodując choroby układu oddechowego o ciężkim przebiegu. Epidemia SARS miała miejsce na przełomie lat 2002/2003, trwała osiem miesięcy, zakażeniu uległo 8096 osób, a współczynnik śmiertelności wynosił 9,5%. Z kolei epidemia bliskowschodniego zespołu niewydolności oddechowej (MERS) rozpoczęła się w 2012 i trwa nadal, do grudnia 2019 r. zgłoszono łącznie 2468 przypadków zakażenia ludzi, przy czym notowany wskaźnik śmiertelności jest dużo wyższy i wynosi aż 42%. Współczynnik ten w przypadku SARS-CoV-2 jak dotąd wydaje się dużo niższy, globalnie wynosi 2,5-2,9%, chociaż różnie się kształtuje w poszczególnych państwach. Wydaje się, że w dużej mierze zachorowalność czy współczynnik śmiertelności spowodowany przez SARS-CoV-2 zależy od strategii podjętej przez dane państwo w walce z chorobą, a także od czasu podjęcia tej walki. Ponadto, zarówno alfa- jak i betakoronawirusy mogą wywoływać szereg chorób u zwierząt, w tym gospodarskich i towarzyszących np. zakaźne zapalenie żołądka i jelit u świń, epidemiczna biegunka świń czy zapalenie otrzewnej u kotów. Badania molekularne wskazują, że wszystkie ludzkie koronawirusy mają pochodzenie zwierzęce: SARS-CoV, MERS-CoV oraz HCoV-NL63 i HCoV-229E pochodzą od nietoperzy, natomiast wirusy HCoV-OC43 i HKU1 od gryzoni. Z kolei inne zwierzęta mogą pełnić rolę gospodarza pośredniego, którzy „wspomagają” wirusa w nabyciu cech ułatwiających zakażenie ludzi. Takim gospodarzem pośrednim w przypadku SARS-CoV był łaskun chiński (Paguma larvata) z rodziny wiwerowatych, chociaż niezwykle podobnego wirusa (99,8% homologii genomu) identyfikowano u jenota azjatyckiego (Nyctereutes procyonoides) należącego do rodziny psowate. Obecność specyficznych przeciwciał anty SARS-CoV wykryto także u ryjonosa piżmowego (Melogale moschata) należącego do rodziny łasicowatych. Z kolei gospodarzem pośrednim w przypadku MERS są wielbłądy dromadery.

Po wykryciu nowego koronawirusa SARS-CoV-2 także sprawdzono podobieństwo jego genomu do innych, wykrytych wcześniej wirusów. W tym przypadku najbliżej spokrewnionym, znanym nauce wirusem, jest wirus BatCoV RaTG13 wykryty u nietoperzy gatunku Rhinolophus affinis w prowincji Yunnan w Chinach, który cechował się 96,2% podobieństwem nukleotydowym. Ten gatunek nietoperza nie występuje na terenie Polski, ale jest bardzo powszechny w dużej części Azji Południowej i Południowo-Wschodniej, w tym w południowych i środkowych Chinach. Wszystkie pozostałe koronawirusy nietoperzy wykazywały niższy poziom podobieństwa (78,8-81,1%). Wyniki te świadczą o tym, że mamy dużą lukę w wiedzy w zakresie stadiów/gatunków pośrednich między rezerwuarem zwierzęcym a człowiekiem. Różnice na poziomie 4% są stosunkowo duże, nawet jak na wirusy RNA (do których należy koronawirus), cechujące się bardzo dużą zmiennością genetyczną. Pojawiły się doniesienia sugerujące, że ogniwem pośrednim SARS-CoV-2 pomiędzy nietoperzem a człowiekiem były łuskowce czy węże sprzedawane na rynku żywych zwierząt w Wuhan, prawdopodobnym miejscu zakażenia wirusem SARS-CoV-2 tzw. „pacjenta zero”, wydaje się jednak, że hipoteza ta musi zostać zweryfikowana.

 

Podziel się: