Κορωνοϊός: Τι γνωρίζουμε μέχρι σήμερα για τη μόλυνση των κυττάρων από τον SARS-CoV-2 - Γιατί η παραλλαγή Δέλτα είναι τόσο μεταδοτική

Μετά από 19 μήνες εργασίας και δεκαετίες προηγούμενων ερευνών πάνω στους κορωνοϊούς, έχουμε πλέον στην διάθεσή μας μία αναλυτική περιγραφή του τρόπου με τον οποίο ο SARS-CoV-2 εισβάλλει στα ανθρώπινα κύτταρα.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν κρίσιμες προσαρμογές του ιού, που τον βοηθούν να αγκιστρωθεί στα ανθρώπινα κύτταρα με εκπληκτική δύναμη και στη συνέχεια να κρυφτεί μόλις εισβάλει μέσα σε αυτά. Αργότερα, καθώς βγαίνει από τα κύτταρα, ο SARS-CoV-2 εκτελεί μία κρίσιμη διεργασία ώστε να προετοιμάσει τα νέα σωματίδια του ιού για τη μόλυνση ακόμη περισσότερων ανθρώπινων κυττάρων.

Αυτά είναι μερικά από τα εργαλεία που επέτρεψαν στον ιό να εξαπλωθεί τόσο γρήγορα -και γι' αυτό είναι τόσο δύσκολο να ελεγχθεί- και ανασκοπούνται σε μία δημοσίευση στο περιοδικό Nature. Οι καθηγητές της Θεραπευτικής Κλινικής της Ιατρικής Σχολής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών, Ευστάθιος Καστρίτης, Θεοδώρα Ψαλτοπούλου και Θάνος Δημόπουλος (πρύτανης ΕΚΠΑ) παρουσιάζουν τα κύρια σημεία της δημοσίευσης.

O νέος κορωνοϊός SARS-CoV-2 διαθέτει ένα κάλυμμα από σάκχαρα, όπως δείχνουν οι προσομοιώσεις του στον υπολογιστή, και συγκεκριμένα στις πρωτεΐνες-ακίδες, οι οποίες ξεχωρίζουν στην επιφάνειά του. Αυτά τα μόρια του σακχάρου είναι γνωστά ως γλυκάνες.

Πολλοί ιοί έχουν γλυκάνες που καλύπτουν τις εξωτερικές πρωτεΐνες τους και τις καμουφλάρουν αποκρύπτοντάς τις από το ανοσοποιητικό σύστημα. Ερευνητές, όμως, δημιούργησαν μία λεπτομερή απεικόνιση αυτού του καλύμματος βασισμένη σε δομικά και γενετικά δεδομένα, που τελικά ανασυντέθηκε άτομο προς άτομο από έναν υπερυπολογιστή, δίνοντας μία εξαιρετικά λεπτομερή απεικόνιση. Μέσα από αυτό το κάλυμμα, όμως, ξεχωρίζει ένας μη επικαλυμμένος βρόχος, ο οποίος είναι ένα τμήμα της πρωτεΐνης-ακίδας που αποτελεί τον τομέα δέσμευσης του υποδοχέα (RBD), ένα από τα τρία τμήματα της ακίδας που συνδέονται με τους υποδοχείς ACE2 στα ανθρώπινα κύτταρα.

Στην προσομοίωση, όταν ο RBD προβάλλει πάνω από το κάλυμμα των σακχάρων, δύο άλλα μόρια γλυκάνης λαμβάνουν μία θέση που κλειδώνει τον RBD στη θέση του, στηρίζοντάς τον. Όμως, τα μοντέλα προσομοίωσης έδειξαν ότι εάν αλλάξουν αυτές οι γλύκανες τότε η RBD καταρρέει.

Μία άλλη ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μία τεχνική για να δοκιμάσει το ίδιο πείραμα στο εργαστήριο και μέχρι τον Ιούνιο του 2020 διαπίστωσαν ότι μεταλλαγές των δύο γλυκανών μείωσαν την ικανότητα της πρωτεΐνης-ακίδας να συνδέεται με τον υποδοχέα ACE2 των ανθρώπινων κυττάρων. Αυτό το εύρημα δεν είχε περιγραφεί προηγουμένως σε κορωνοϊούς. Έτσι, είναι πιθανό ότι η απόρριψη αυτών των δύο σακχάρων θα μπορούσε να μειώσει τη μολυσματικότητα του ιού, αν και οι ερευνητές ακόμη δεν έχουν τρόπο να το κάνουν αυτό.

Από την έναρξη της πανδημίας COVID-19, οι επιστήμονες έχουν κατανοήσει τις λεπτομέρειες του τρόπου με τον οποίο ο SARS-CoV-2 μολύνει τα κύτταρα. Επικεντρώνοντας στη διαδικασία της μόλυνσης, ελπίζουν να βρουν καλύτερους τρόπους για να την ανακόψουν μέσω βελτιωμένων θεραπειών και εμβολίων και να μάθουν γιατί τα πιο πρόσφατα στελέχη, όπως η παραλλαγή Δέλτα, είναι πιο μεταδοτικά.

Κάθε σωματίδιο ιού SARS-CoV-2 έχει μία εξωτερική επιφάνεια με 24-40 τυχαία διατεταγμένες πρωτεΐνες-ακίδες που είναι το κλειδί για τη σύνδεση με τα ανθρώπινα κύτταρα. Για άλλους τύπους ιών, όπως της γρίπης, οι εξωτερικές πρωτεΐνες σύνδεσης/σύντηξης είναι σχετικά άκαμπτες.

Ωστόσο, οι ακίδες του SARS-CoV-2 είναι εξαιρετικά ευέλικτες και αρθρώνονται σε τρία διαφορετικά σημεία. Αυτό επιτρέπει στις ακίδες να περιστρέφονται και να ταλαντεύονται, γεγονός που διευκολύνει τη σάρωση της επιφάνειας του κυττάρου και την ταυτόχρονη σύνδεση πολλών αιχμών σε ένα ανθρώπινο κύτταρο. Δεν υπάρχουν παρόμοια πειραματικά δεδομένα για άλλους κορονοϊούς, αλλά επειδή οι αλληλουχίες πρωτεϊνών-ακίδων εμφανίζονται διατηρημένες στην εξέλιξη των κορονοϊών, μάλλον πρόκειται για κοινό χαρακτηριστικό των ιών αυτής της οικογένειας.

Στην αρχή της πανδημίας, οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι η περιοχή RBD της πρωτεΐνης-ακίδας του SARS-CoV-2 συνδέεται με τον υποδοχέα ACE2, που βρίσκεται στο εξωτερικό πολλών κυττάρων του ανωτέρου αναπνευστικού και των πνευμονικών κυττάρων. Αυτός ο υποδοχέας είναι, επίσης, το σημείο σύνδεσης του SARS-CoV, του ιού που προκαλεί σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο (SARS). Όμως, σε σύγκριση με τον SARS-CoV, εκτιμάται ότι ο SARS-CoV-2 συνδέεται με το ACE2 2-4 φορές πιο ισχυρά, επειδή αρκετές αλλαγές στην περιοχή RBD σταθεροποιούν τα σημεία σύνδεσης του ιού.

Οι παραλλαγές του SARS-CoV-2 που προκαλούν ιδιαίτερη ανησυχία τείνουν να εμφανίζουν μεταλλάξεις στην υπομονάδα S1 της πρωτεΐνης-ακίδας, η οποία φιλοξενεί την περιοχή RBD και είναι υπεύθυνη για τη σύνδεση στον υποδοχέα ACE2. (Μία δεύτερη υπομονάδα της ακίδας, η S2, συμβάλλει στη σύντηξη του περιβλήματος του ιού με τη μεμβράνη του κυττάρου ξενιστή).

Η παραλλαγή Άλφα, για παράδειγμα, περιλαμβάνει δέκα αλλαγές στην αλληλουχία της πρωτεϊνης-ακίδας, οι οποίες έχουν ως αποτέλεσμα η RBD να είναι πιο πιθανό να παραμείνει σε θέση που βοηθά τον ιό, διευκολύνοντας την είσοδό του στα κύτταρα. Η παραλλαγή Δέλτα, η οποία τώρα εξαπλώνεται ταχύτατα, φιλοξενεί πολλαπλές μεταλλάξεις στην υπομονάδα S1, συμπεριλαμβανομένων τριών στην περιοχή της RBD που φαίνεται να ενισχύουν την ικανότητα της RBD να συνδέεται με τον υποδοχέα ACE2 και να παρακάμπτει το ανοσοποιητικό σύστημα.

Μόλις οι ακίδες του ιού συνδέονται με τον υποδοχέα ACE2, άλλες πρωτεΐνες στην επιφάνεια του κυττάρου-ξενιστή ξεκινούν μία διαδικασία που οδηγεί στη σύντηξη του περιβλήματος του ιού και της κυτταρικής μεμβράνης.

Ο ιός που προκαλεί τον SARS, ο SARS-CoV, χρησιμοποιεί ένα από τα δύο ένζυμα-πρωτεάσες (είναι ένζυμα που «κόβουν» άλλες πρωτεΐνες σε συγκεκριμένες θέσεις) του κυττάρου-ξενιστή για να εισβάλλει: Την TMPRSS2 ή την καθεψίνη L. Η TMPRSS2 είναι η ταχύτερη διαδρομή, αλλά ο SARS-CoV εισέρχεται συχνά μέσω ενός ενδοσώματος -μίας φυσαλίδας που περιβάλλεται από λιπίδια- η οποία βασίζεται στην καθεψίνη L. Ωστόσο, όταν οι ιοί εισέρχονται στα κύτταρα με αυτόν τον τρόπο, οι αντιιϊκές πρωτεΐνες μπορούν να τους παγιδέψουν.

Ο SARS-CoV-2 διαφέρει από τον SARS-CoV στο ότι χρησιμοποιεί πιο αποτελεσματικά την TMPRSS2, ένα ένζυμο που βρίσκεται σε μεγάλες συγκεντρώσεις στην επιφάνεια των κυττάρων του αναπνευστικού επιθηλίου. Πρώτον, η TMPRSS2 κόβει μία θέση στην υπομονάδα S2 και έτσι εκθέτει μία σειρά υδρόφοβων αμινοξέων που εισδύουν γρήγορα στην πλησιέστερη μεμβράνη: Αυτή του κυττάρου ξενιστή. Η προτεταμένη ακίδα, στη συνέχεια, διπλώνεται πάνω της, σαν φερμουάρ, οδηγώντας στη σύντηξη του περιβλήματος του ιού και της κυτταρικής μεμβράνης.

Ο ιός, ακολούθως, εκτοξεύει το γονιδίωμά του (το γενετικό υλικό του) απευθείας στο κύτταρο. Εισβάλλοντας με αυτόν τον τρόπο, σαν ελατήριο, ο SARS-CoV-2 μολύνει τα κύτταρα ταχύτερα από τον SARS-CoV και αποφεύγει να παγιδευτεί σε ενδοσώματα.

Η ταχεία είσοδος του ιού, χρησιμοποιώντας την TMPRSS2, εξηγεί γιατί η χλωροκίνη δεν λειτούργησε σε κλινικές δοκιμές ως θεραπεία για την COVID-19, παρά τις πρώτες ελπιδοφόρες εργαστηριακές μελέτες. Οι εργαστηριακές μελέτες χρησιμοποιούσαν κύτταρα που χρησιμοποιούσαν αποκλειστικά την καθεψίνη για είσοδο του ιού μέσω ενδοσωματων. Όταν ο ιός μεταδίδεται και αναπαράγεται στον ανθρώπινο αναπνευστικό επιθήλιο δεν χρησιμοποιεί ενδοσώματα, οπότε η χλωροκίνη, η οποία είναι ένα φάρμακο που αναστέλλει τα ενδοσώματα, δεν είναι αποτελεσματική.

Αυτή η ανακάλυψη υποδεικνύει, επίσης, ότι οι αναστολείς πρωτεάσης θα μπορούσαν να είναι μία πολλά υποσχόμενη θεραπεία που θα ανέστειλε τη δυνατότητα του ιού να χρησιμοποιήσει την TMPRSS2, την καθεψίνης L ή άλλες πρωτεάσες για την είσοδό του στα κύτταρα. Ένας αναστολέας της TMPRSS2, το mesylate kamostate, ο οποίος έχει εγκριθεί στην Ιαπωνία για τη θεραπεία της παγκρεατίτιδας, εμπόδισε τον ιό να εισέλθει στα πνευμονικά κύτταρα, αλλά το φάρμακο δεν βελτίωσε την έκβαση των ασθενών σε μία αρχική κλινική δοκιμή.

Τα επόμενα στάδια της λοίμωξης είναι λιγότερο ξεκάθαρα. Αφού ο ιός ενέσει το γονιδίωμά του (που είναι σε μορφή RNA) στο κύτταρο, τότε τα ριβοσώματα στο κυτταρόπλασμα μεταφράζουν δύο τμήματα του RNA του ιού σε μεγάλες αλληλουχίες αμινοξέων, οι οποίες στη συνέχεια διασπώνται σε 16 πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένων πολλών που εμπλέκονται στη σύνθεση του RNA. Αργότερα, παράγονται περισσότερα μόρια RNA που κωδικοποιούν συνολικά 26 γνωστές ιϊκές πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένων δομικών πρωτεϊνών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή νέων σωματιδίων ιού, όπως η ακίδα και άλλες βοηθητικές πρωτεΐνες. Με αυτόν τον τρόπο, ο ιός αρχίζει να δημιουργεί αντίγραφα του δικού του αγγελιοφόρου RNA.

Όμως, χρειάζεται τον κυτταρικό μηχανισμό για να μεταφράσει αυτά τα mRNA σε πρωτεΐνες. Οι κορονοϊοί αναλαμβάνουν τον έλεγχο αυτού του μηχανισμού με πολλούς τρόπους. Οι ερευνητές έχουν επικεντρωθεί σε τρεις μηχανισμούς, με τους οποίους ο SARS-CoV-2 καταστέλλει τη μετάφραση mRNA του ξενιστή υπέρ της δικής του. Αν και κανείς δεν είναι μοναδικός για αυτόν τον ιό, ο συνδυασμός, η ταχύτητα και η αποτελεσματικότητα φαίνονται μοναδικοί. Πρώτον, ο ιός εξαλείφει τον ανταγωνισμό:

Η πρωτεΐνη του ιού Nsp1, μία από τις πρώτες πρωτεΐνες που μεταφράζεται όταν φτάσει ο ιός, στρατολογεί πρωτεΐνες του ξενιστή που κόβουν συστηματικά όλα τα μόρια mRNA μέσα στο κύτταρο που δεν έχουν επισήμανση ότι προέρχονται από τον ιό. Όταν ερευνητές βάζουν σε ένα μόριο mRNA του κυττάρου-ξενιστή μία παρόμοια επισήμανση τότε το mRNA δεν κόβεται σε κομμάτια.

Δεύτερον, η μόλυνση μειώνει τη συνολική μετάφραση πρωτεϊνών στο κύτταρο κατά 70%. Η πρωτεΐνη του ιού Nsp1 είναι και πάλι ο κύριος ένοχος, αυτήν τη φορά αποκλείει το κανάλι εισόδου των ριβοσωμάτων, έτσι ώστε το mRNA να μη μπορεί να μπει μέσα και η περιορισμένη μεταφραστική ικανότητα που απομένει είναι αφιερωμένη στα μόρια mRNA του ιού.

Τέλος, ο ιός «κλείνει» το σύστημα συναγερμού του κυττάρου. Αυτό συμβαίνει με πολλούς τρόπους, αλλά βασικά ο ιός εμποδίζει το κυτταρικό mRNA να βγει από τον πυρήνα, συμπεριλαμβανομένων και των οδηγιών για πρωτεΐνες που προορίζονται να προειδοποιήσουν το ανοσοποιητικό σύστημα για τη μόλυνση.

Πάλι η Nsp1 φαίνεται να μπλοκάρει τα κανάλια εξόδου στον πυρήνα του κυττάρου. Επειδή οι μεταγραφές των γονιδίων στο mRNA δεν μπορούν να βγουν από τον πυρήνα, τα μολυσμένα κύτταρα δεν απελευθερώνουν πολλές ιντερφερόνες, οι οποίες φυσιολογικά προειδοποιούν το ανοσοποιητικό σύστημα για την παρουσία ενός ιού.

Ο SARS-Cov-2 είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικός στην αναστολή αυτού του συστήματος συναγερμού: Σε σύγκριση με άλλους αναπνευστικούς ιούς, συμπεριλαμβανομένου του SARS-CoV και του αναπνευστικού συγκυτιακού ιού, η μόλυνση από τον SARS-CoV-2 προκαλεί σημαντικά χαμηλότερα επίπεδα ιντερφερόνων. Επιπλέον, ερευνητές αναφέρουν ότι μεταλλάξεις στην παραλλαγή Άλφα φαίνεται να την κάνουν ικανότερη να αναστείλει την παραγωγή ιντερφερόνης ακόμη πιο αποτελεσματικά.

Μόλις ο ιός αναλάβει τον έλεγχο του μηχανισμού της μετάφρασης, αναδιαμορφώνει εκτενώς το εσωτερικό και το εξωτερικό του κυττάρου σύμφωνα με τις ανάγκες του αναφέρει το ΑΠΕ.

Οι μεταλλάξεις Άλφα και Δέλτα

Δύο παραλλαγές του κορονοϊού, Άλφα και Δέλτα, έχουν αλλάξει τις θέσεις διάσπασης της φουρίνης. Στην παραλλαγή Άλφα, το αρχικό αμινοξύ προλίνη έχει αλλάξει σε ιστιδίνη (P681H), ενώ στην παραλλαγή Δέλτα αλλάζει σε αργινίνη (P681R). Και οι δύο αλλαγές κάνουν την ακολουθία λιγότερο όξινη και όσο πιο βασική είναι η σειρά των αμινοξέων τόσο πιο αποτελεσματικά η φουρίνη την αναγνωρίζει και την κόβει. Ως αποτέλεσμα, ο ιός που γίνεται ακόμα αποτελεσματικότερος στη μετάδοσή του.

Περισσότερες ακίδες που «κόβονται» από τη φουρίνη σημαίνει περισσότερες ακίδες που εισέρχονται στα ανθρώπινα κύτταρα. Στο SARS-CoV, λιγότερο από το 10% των πρωτεϊνών-ακίδων είναι «επεξεργασμένο», αλλά στον SARS-CoV-2 αυτό το ποσοστό αυξάνεται στο 50%. Στην παραλλαγή Άλφα, υπερβαίνει το 50%. Στην πολύ μεταδοτική παραλλαγή Δέλτα, πάνω από το 75% των ακίδων είναι προετοιμασμένες να μολύνουν ένα ανθρώπινο κύτταρο.

Υπάρχουν πολλοί άγνωστοι παράγοντες, ακόμα, για την κατανόηση της COVID-19. Bασικά κενά στη γνώση περιλαμβάνουν τον αριθμό των υποδοχέων ACE2 που απαιτούνται για τη σύνδεση σε κάθε ακίδα-πρωτεΐνη, πότε η υπομονάδα S2 διασπάται από την TMPRSS2 και τον αριθμό των ακίδων που απαιτούνται για τη σύντηξη μεταξύ ιών και κυτταρικών μεμβρανών.

Εν τω μεταξύ, έχουν εντοπιστεί τουλάχιστον 332 αλληλεπιδράσεις μεταξύ του SARS-CoV-2 και ανθρώπινων πρωτεϊνών. Οι περισσότερες μεταλλάξεις, μέχρι στιγμής, σχετίζονται με το πόσο αποτελεσματικά εξαπλώνεται ο ιός, όχι με το πόσο ο ιός καταστρέφει τον ξενιστή, συμφωνούν οι ειδικοί.

Η παραλλαγή Δέλτα χαρακτηρίζεται από ταχύτερη αύξηση των επιπέδων του ιού και σε υψηλότερα επίπεδα στην αναπνευστική οδό από ό,τι οι προηγούμενες παραλλαγές του ιού, όμως δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητό το πώς οι μεταλλάξεις της παραλλαγής Δέλτα έχουν κάνει τον ιό τόσο μεταδοτικό.