“Анатомия” на SARS-CoV-2

В края на 2019 година в Китай се появява нова респираторна инфекция, която бързо набра скорост и привлече вниманието на научната общност. През януари в безпрецедентно кратък срок бе секвениран (прочетен) генома на вируса, което веднага даде информация какъв точно е патогена, откъде произлиза, какви свойства има, какво родство има, а в по-късен етап и с какво можем да го лекуваме, дали ваксините ще са ефективни и какво ни очаква в бъдещето. За сравнение при последната голяма пандемия със SARS (ОРС) от 2003 година подобен резултат бе придобит след дълъг период от време и много труд. Нека не забравяме, че в началото на 21 век човечеството бе в зората на ерата на геномиката. По врене на пандемия хората тъкмо бяха разгадали генома на човека (успех след около 10 години труд), технологичните и изчислителни възможности в сравнение с днес са били значително по-слаби, а библиотеката от секвенирани гени и геноми значително по-бедна. Опитът, който днес имаме е безценен и ни е научил на много. Днес спокойно можем да секвенираме и картираме собствения си индивидуален геном за броени дни – много годишно усилие от миналото. А по-малки вирусни дори за по-кратък период от време.

Ценното на геномната информация е, че тя ни дава пълна картина за вируса. След поредица от неадекватни въпроси на Ива Николова, работеща в неуважаваната медия в България pik.bg по време на извънредните пресконференции, стана ясно, че много малко хора всъщност имат представа какво представляват вирусите като цяло.

Какво представлява коронавирусът?

Коронавирусите са относително големи вируси с големи геноми средно около 30 kb – 30 000 нуклеотида (единиците израждащи ДНК и РНК). Самата частица e с диаметър около 100 – 120 nm. От гледна точка на морфология при животинските вируси тя не е много разнообразна. Геномната РНК е обвита от протеини, формирайки първична обвивка. Геном + протеинова обвивка формират нуклеокапсид. Някои вируси притежават само нуклеокапсид. Допълнително вирусът притежава и вторична обвивка от двислойна липидна мембрана, която е “открадната” от клетката гостоприемник. Тя е пропита с вирусни протеини и познатите на всички “шипове” чрез, които вирусът контактува с клетките на своя гостоприемник.

Не е ясно как точно вирусът навлиза в клетките. Единият вариант е чрез сливане на вирусната и клетъчна мембрани, освобождавайки нуклеокапсида (вирусната РНК, обвита с протеини) в цитоплазмата. Другият вариант е чрез ендоцитоза. Клетката образува вакуола (мембранно мехурче, в което са затворени обекти от околната среда), чиято околна среда се подкислява преди сливането с лизозома с цел съдържимото в нея да бъде разградено. Този етап трябва да бъде преодолян от вируса, за да оцелее.

При всички случаи вирусният положителен РНК (+РНК) геном се освобождава в клетката. Вирусите имат най-голямото разнообразие от геноми (+РНК, -РНК, двойноверижна РНК, двойноверижна ДНК, +ДНК, -ДНК), докато всички останали организми са с двойноверижен ДНК геном. +РНК означава, че тази молекула може да служи като директна инструкция за синтез на протеини от клетъчните рибозоми. Ако геномът беше -РНК, първо би трябвало да се синтезира антипаралелно +РНК копие на целия геном.

При синтеза на протеини първо се произвежда репликационния комплекс, в който най-важният протеин е така наречената РНК зависима РНК полимераза. Това означава, че ензимът използва наличната геномна +РНК, за да синтезира антипаралелната РНК чрез полимеризиране на наличните в клетката нуклеотиди (мономери, изграждащи РНК единици). Така синтезираната антипаралелна РНК служи като шаблон, чрез който се синтезират множество копия от +РНК – намножаване на генома. В последствие се синтезират и всички второстепенни протеини от клетъчните рибозоми, чиито “инструкции” се намират във вирусната +РНК. Така например синтезираният M протеин се включва в мембраните на някои мембранни органели (ендоплазматичният ретикулум). M протеинът подготвя мембранното поле, което ще бъде откъснато, за да образува липидната обвивка на вируса. Синтезират се и положителни капсидни протеини, които “полепват” по отрицателно заредената РНК молекула, формирайки нуклеокапсида (комплекса РНК+протеини). От ендоплазматичния ретикулум се откъсва мембранно поле, което е пропито с нужните вирусни протеини, инкорпорира се нуклеокапсидът и чрез секреторните системи на клетката вирусът се изхвърля в междуклетъчното пространство, готов да зарази нови клетки. Така всяка клетка е като фабрика за нови частици, а самият вирус е коварен, защото той кара клетката да спре синтез на странични продукти и да насочи всички ресурси към вирусните нужди.

Какво показва анализа на секвенцията на генома на SARS-CoV-2?

След освобождаването на +РНК генома на SARS-COV-2 първият синтезиран протеин от клетъчните рибозоми е всъщност полипептид, състоящ се от 16 свързани протеина. Два от тях са протеази, които разкъсват връзките между отделните протеини. Именно в този момент се синтезира и може би един от най-важните протеини – РНК зависимата РНК полимераза.

NSP1 – клетъчният саботьор

Този протеин кара клетката да забави и дори спре синтеза на всякакви клетъчни протеини, за да се пренасочат всички ресурси към синтез на вирусни протеини. Другата му функция е да спре синтеза на каквито и да е противовирусни протеини, които биха инхибирали репликацията.

NSP2 – мистериозният протеин

Все още не е определена каква функция има този протеин. Той се свързва с други два протеина, които участват в транспорта ендозоми (мембранни мехурчета).

NSP3 – ножиците

Това е голям протеин, който има две важни задачи. Първата е да нареже големия полипептид с 16 протеина на отделни части, за да може всеки протеин да премине в активна, функционална форма. Този протеин реже и активни клетъчни протеини.

NSP4 – правещият “балончета”

Този протеин, в комбинация с други, спомага образуването на мембранни вакуоли, чрез които се създава активния вирус.

NSP5 – втори чифт ножици

И този протеин участва в рязането на големите вирусни полипептиди.

NSP6 – фабрика за балончета

Заедно с NSP3 и NSP4 участва в създаването на множество мембранни вакуоли за новите вируси.

NSP7 и NSP8 – помагачите

Тези два протеина спомагат на NSP12 да направи нови копия на вирусната +РНК.

NSP9 – в сърцето на клетката

Този протеин има способността да преминава през порите на клетъчното ядро и да променя ядрения транспорт, но не е ясно все още с каква цел. Сигурно е, че цел има и е важна. Вирусите не хабят енергия и ресурси безцелно.

NSP10 – генетичен камуфлаж

Човешките клетки притежават различни противовирусни протеини, които могат да откриват вирусна РНК и да я унищожават. Този протеин работи заедно с NSP16, за да прикрият вирусните гени, за да остане генетичният материал непокътнат.

NSP12 – копирната машина

Това е въпросната РНК зависима РНК полимераза, която синтезира копия на генома. Установено е, че противовирусното лекарство ремдесивир атакува именно този важен протеин и затова в момента се изследва дали е ефективен и срещу SARS-CoV-2.

NSP13 – развива РНК

В естествено състояние РНК  не е линейна молекула, а образува различни нагъвания, извивки и мотиви. Този протеин прави молекулата линейна, за да е лесна за прочитане и копиране.

NSP14 – качественият контрол

Когато NSP12 прави копие на генома, понякога без да иска допуска грешки. NSP14 изрязва грешките и ги коригира, за да бъде всичко вярно с оригинала.

NSP15 – чистачът

Този протеин унищожава ненужната вирусна РНК, за да не предизвика защитните механизми на клетката. Не трябва да има доказателства!

NSP16 – още маскиране

NSP16 работи заедно с NSP14, за да скрият и защитят вирусната РНК от клетката.

Шиповете – S

Всеки един от известните шипове на вируса всъщност се състои от 4 отделни протеина – S, E, M и N. Тези структурни протеини освен защитна функция, спомагат и за сглобяването на самия вирус. S протеините оформят характерните шипчета на повърхността на вируса, подреждайки се в група по три. Именно на тези протеини се дължи името на коронавирусите.

Част от шипчето може да се свърже с протеин, наречен ангиотензин конвертиращ ензим 2 (ACE 2), който е част от някои клетки на въздухоносните пътища при хората. Този протеин има малка мутация, вид инсерция, от 12 нуклеотида (ccucggcgggca), които спомагат шипчетата и ACE2 да се свържат много здраво. Много важна мутация, позволила миграцията на вируса към хората.

ORF3a – беглецът

ORF3a протеините са аксесоарни протеини, променящи вътрешната среда на клетката, за да може да се извърши вирусната репликация по-лесно. Освен това ORF3a  създават пробиви в клетъчната цитоплазмена мембрана, за да може вирусните частици да напуснат клетката по-лесно. Този протеин е и причина за възпалителните процеси и появата на някои по-тежки симптоми.

Протеин Е

Този структурен протеин спомага образуването на мембранната обвивка на вируса. Той може и да изключва или включва някои важни гени на клетката гостоприемник – регулация на генната експресия.

Протеин М

Структурен протеин, който също участва във формирането на липидната мембрана на вируса.

Сигнален блокер – ORF6

Този аксесоарен протеин блокира всякакви сигнали, които клетката би изпратила, за да алармира имунната система. Блокира и някои вътреклетъчни протеини, които имат защитна функция против вирусна инфекция.

ORF7a – освободителят

Когато вирус се опита да напусне клетката, тя може да се опита да го спре чрез група от протеини, наречени тетерини. Смята се, че ORF7a унищожава запаса от тетерини, позволявайки на вирусните частици свободно да напуснат клетката. Освен това този протеин може да накара клетката да се самоубие, на което се дължат и част от уврежданията, които болестта нанася.

ORF8 – мистериозен протеин

Аксесоарен протеин, чиято функция не е известна.

Нуклеокапсиден протеин N

Това е N протеина, който обвива вирусната +РНК. Множество N протеина се свързват помежду си, формирайки първичната обвивка, защитаваща генома. Самите протеини се навиват във спирала под определен ъгъл, формирайки кух цилиндър.

ORF10 – мистериозен протеин

Пореден аксесоарен протеин, чиято функция не е известна.

Самата вирусна РНК завършва с малка верига от аденин (aaaaaaaaaaaaa), която играе роля на сигнал за протеините, че е време да се спре нейното четене. Това е краят на веригата – СТОП.

И така това е анатомия на актуалния вирус, за койот всеки говори. При изминали пандемии, особено в началото на века подобна интимна информация не е била налична, а всяка информация е необходима за справянето с проблема. Оптимистичното е, че след години при следващата пандемия технологиите ще са толкова напреднали, че ще бъдем дори по-подготвени да реагираме мигновено.

Източници:

Fan Wu et al., Nature; National Center for Biotechnology Information; Dr. David Gordon, University of California, San Francisco; Dr. Matthew B. Frieman and Dr. Stuart Weston, University of Maryland School of Medicine; Dr. Pleuni Pennings, San Francisco State University; Journal of Virology; Annual Review of Virology.

Coronavirus by Maria Voigt, RCSB Protein Data Bank headquartered at Rutgers University–New Brunswick; Ribosome from Heena Khatter et al., Nature; Proteins from Yang Zhang’s Research Group, University of Michigan.

Превод: https://www.nytimes.com/interactive/2020/04/03/science/coronavirus-genome-bad-news-wrapped-in-protein.html

Хареса ли ти тази статия? Може да подкрепиш biologist чрез Patreon!