Известная мутация в геноме коронавируса повышает инфекционность, но не тяжесть заболевания

Коронавирус SARS-CoV-2 проникает в клетку хозяина за счет связывания с клеточным рецептором ACE2, за чем следует слияние вирусной и клеточной мембран.С рецептором ACE2 взаимодействует S-белок вируса, который состоит из субъединиц S1 и S2 и образует тримеры (зубцы «короны» вируса). Для успешного проникновения в новую клетку S-белок расщепляется на границе между доменами S1 и S2; это делает протеаза под названием фурин, причем в той клетке, в которой происходит репликация вируса и сборка вирусных частиц. Субъединица S1 связывается с рецептором ACE2 клетки-мишени, а S2 облегчает слияние мембран. В субъединице S2 есть свой сайт расщепления S2′, также важный для инфекционности.

Анализ геномов различных изолятов SARS-CoV-2 выявил несколько областей с повышенной вариабельностью. Особое внимание исследователей привлекла мутация в гене белка S —D614G. Эта мутация приводит к замене остатка аспарагиновой кислоты на остаток глицина в позиции 614, то есть в С-концевом участке домена S1, рядом с S2. Обнаружено, что этот вариант коронавируса распространяется быстрее, чем альтернативный, и становится преобладающим в любой местности, куда проникает. Если в марте эта замена встречалась в вирусных геномах с частотой 26% (а в феврале не была детектирована вообще), то в апреле ее частота выросла до 65%, в мае до 70%. Кроме того, у пациентов, инфицированных этим вариантом SARS-CoV-2, наблюдались более высокие вирусные нагрузки. С другой стороны, изменение частоты встречаемости вируса было ассоциировано и с другими мутациями, например, в неструктурных белках nsp3 и RdRp.

Тем не менее представлялось важным проверить, как именно замена D614G в функционально важном S-белке изменила свойства вируса и насколько это может быть опасно. Подобный эксперимент провели сотрудники Исследовательского института Скриппса (Флорида, США). Результаты опубликованы в виде препринта на bioRxiv.

Два варианта S-белка — с исходным генотипом D614 и заменой G614 были встроены в ретровирус MMLV (один из мышиных вирусов лейкемии). Полученными псевдовирусами инфицировали культуры клеток, экспрессирующих ACE2. Вирус с белком, содержащим замену G614, показал в девять раз большую эффективность инфекции по сравнению с исходным вариантом D614.

Надо было понять, что изменилось в результате мутации, и изменение обнаружилось. Общее количество доменов S1 + S2 в псевдовирусах с вариантом S-белка G614 было почти в пять раз выше по сравнению с вариантом D614, при том же количестве псевдовирусных частиц, а отношение S1/S2 увеличилось в 3,5 раза. Это означает, что мутация D614G препятствует удалению S1 — после расщепления фурином этот домен не освобождается, возможно, удерживаемый нековалентными связями. Такой стабильный белок лучше включается в вирионы, то есть они богаче белком, взаимодействующим с клеткой (причины этого еще предстоит исследовать, они могут быть связаны с теми или иными посттрансляционными модификациями). Этот результат подтвердился и на вирусоподобных частицах, состоящих из нативных белков SARS-CoV-2: N, M, E и S.

Авторы проверили, усиливает ли эта замена связывание S-белка с ACE2. Такая гипотеза ранее высказывалась, но подтвердить ее не удалось: видимо, инфекционность повышается только за счет большего количества S-белка в вирусной частице и сохранения на месте S1-домена. Существенно, что оба варианта псевдовируса были одинаково чувствительны к нейтрализующим антителам из сыворотки крови переболевших COVID-19, то есть с этой точки зрения мутация не делает вирус более опасным.

Высказывалось мнение, что замена D614G должна, напротив, способствовать удалению субъединицы S1 за счет потери водородной связи между аспарагиновой кислотой-614 в S1 и треонином-859 в S2. Возможно, однако, что последний в мутантном белке связывается с соседним аминокислотным остатком — глутамином-613.

Повышенная инфекционность не сопровождается более тяжелым протеканием болезни; по предположению авторов, более высокие уровни функционального S-белка с G614 способствуют более эффективной передаче от человека к человеку, но какие-то другие факторы могут лимитировать размножение вируса внутри организма. С другой стороны, вариант D614 снижает количество S-белка в вирионах, но это компенсируется тем, что нестабильный S-белок эффективнее проникает в новые клетки, расположенные рядом с хозяйской.

Авторы указывают, что это исследование может пролить свет на эволюционные события, предшествовавшие появлению нового коронавируса. SARS-CoV-2 приобрел сайт расщепления фурином S1/S2, что позволило ему разделять домены S-белка уже внутри клетки-хозяина (фурин накапливается в аппарате Гольджи), но повысило вероятность преждевременной потери S1. Фуриновый сайт S1/S2 отсутствует в других родственных вирусах: аналогичный сайт между доменами S-белка возбудителя атипичной пневмонии SARS-CoV расщепляется протеазами на внешней мембране или в эндосомах клетки-мишени. Нет сайта, распознаваемого фурином, и у вируса летучей мыши RaTG13. Возможно, поэтому мутация D614G, стабилизирующая S-белок SARS-CoV-2 после расщепления фурином, выгодна для нового коронавируса, но не была нужна его родственникам.

«Мы показываем, что мутация S-белка, которая приводит к более активной передаче SARS-CoV-2, также ограничивает удаление домена S1 и увеличивает включение S-белка в вирион», — подводят итог авторы работы. Дальнейшие исследования определят, влияет ли это изменение на ход заболевания.