SARS-CoV-2: Struttura, Proteine e Patogenesi del Nuovo Coronavirus

SARS-CoV-2: Struttura, Proteine e Patogenesi del Nuovo Coronavirus
Ultima modifica 03.03.2021
INDICE
  1. Introduzione
  2. Struttura di SARS-CoV-2
  3. Proteina Spike
  4. Proteina del Pericapside
  5. Proteina di Membrana
  6. Proteina del Nucleocapside
  7. Proteine Non-Strutturali
  8. Patogenesi Virale
  9. Risposta Infiammatoria
  10. Bibliografia

Introduzione

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Ormai da oltre un anno, le attenzioni del Mondo sono rivolte a COVID-19, l'infezione respiratoria causata dal nuovo Coronavirus SARS-CoV-2, e alla pandemia che ne è derivata.

I dati epidemiologici del momento dicono che: SARS-CoV-2 è presente in oltre 200 Paesi del Mondo, si sono ammalate di COVID-19 all'incirca 113 milioni di persone in tutto il Globo (febbraio 2021) e, di queste, ne sono decedute 2,5 milioni.

SARS-CoV-2 è un virus che colpisce principalmente le vie respiratorie, causando sintomi quali tosse, raffreddore, febbre e, nei casi più severi, difficoltà respiratorie; talvolta, però, può indurre anche infiammazioni sistemiche, provocando sepsi, insufficienza cardiaca e disfunzione multi-organo.

L'infezione da SARS-CoV-2 è particolarmente pericolosa per gli individui over-60, per coloro che presentano patologie croniche (es: diabete, coronaropatia) e per le persone in terapia con farmaci depressori del sistema immunitario (es: chemioterapici, immunosoppressori).

Questo articolo si propone di analizzare la struttura, il genoma e le proteine di SARS-CoV-2, e fornire le informazioni fondamentali relative alla patogenesi del virus.

Per approfondire: SARS-CoV-2: Come Riconoscere i Primi Sintomi e Cosa Fare

Struttura di SARS-CoV-2

Com’è Fatto SARS-CoV-2: Struttura, Genoma e Proteine

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Esempio di beta-coronavirus, SARS-CoV-2 è un virus a RNA a singolo filamento positivo, dotato di pericapside (o envelope).

Il pericapside è una sorta di involucro posto attorno al capside di alcuni virus; esso è formato da fosfolipidi e glicoproteine.

SARS-CoV-2 possiede un genoma di 29.881 basi azotate, che codifica per 9.860 aminoacidi.
Questo genoma si suddivide in geni per proteine strutturali e geni per proteine non-strutturali.

I geni per le proteine strutturali codificano per la proteina spike (abbreviata in S), la proteina del pericapside (abbreviata in E, da envelope), la proteina di membrana (abbreviata in M) e la proteina del nucleocapside (abbreviata in N).
Come suggerisce il nome, le proteine strutturali concorrono a formare la struttura di SARS-CoV-2.

I geni per le proteine non-strutturali, invece, codificano per proteine, quali per esempio la proteasi simile alla 3-chimotripsina, la proteasi simile alla papaina o la RNA polimerasi RNA-dipendente, le cui funzioni sono regolare e dirigere i processi di replicazione e assemblaggio del virus.

Di seguito, è riportata una descrizione delle singole proteine strutturali, con un occhio di riguardo alla proteina S, e delle proteine non-strutturali.

Lo sapevi che…

SARS-CoV-2 condivide circa l'82% del suo genoma con i coronavirus SARS-CoV (responsabile di SARS) e MERS-CoV (responsabile della sindrome respiratoria Medio-Orientale).

Per approfondire: Coronavirus: Cosa sono?

Proteina Spike

Struttura della Proteina Spike di SARS-CoV-2

La proteina spike (o proteina S) di SARS-CoV-2 (e di tutti i Coronavirus conosciuti) tappezza la superficie esterna del virus, formando quelle caratteristiche protuberanze che donano al Nuovo Coronavirus l'aspetto di una corona (da cui deriva, appunto, il termine "Coronavirus").

La proteina spike pesa 180-200 kDa (si legge kiloDalton) e si compone di 1.273 aminoacidi.

Spike è formata da due componenti aminoacidiche maggiori, chiamate subunità S1 (14-685) e subunità S2 (686-1.273):

  • La subunità S1 ospita una sequenza di aminoacidi nota come RBD (acronimo inglese che sta per "Receptor Binding Domain", ossia dominio di legame al recettore), la quale è fondamentale per legare il virus alle cellule dell'ospite (ossia l'essere umano).
  • La subunità S2, invece, è la sede di sequenze aminoacidiche (peptide di fusione, HR1, HR2, dominio transmembrana e dominio citoplasmatico), la cui funzione finale è favorire la fusione e l'ingresso del virus nelle cellule dell'ospite.

Allo stato nativo (cioè quando il virus non sta infettando nessuno), la proteina spike è in forma di precursore inattivo. Nel momento in cui il virus incontra un potenziale organismo da infettare, però, passa immediatamente a una forma attiva: a innescare il processo di attivazione sono le proteasi delle cellule bersaglio (quindi è l'ospite stesso ad attivarla!), le quali "spezzano" la spike e formano le subunità S1 e S2.

Come Funziona la Proteina Spike di SARS-CoV-2

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Il funzionamento della proteina spike di SARS-CoV-2 è complesso; l'articolo in questione si propone di semplificarlo il più possibile, così che possa essere comprensibile ai lettori.

La proteina spike è fondamentale per avviare il processo di infezione dell'ospite; in altre parole, è l'arma che il Nuovo Coronavirus utilizza per provocare l'infezione nota come COVID-19.

Il processo d'infezione condotto da spike può suddividersi in due momenti:

  • Il legame alla cellula ospite. È la fase in cui il virus aggredisce e si lega alle cellule dell'organismo che poi infetterà.
  • La fusione della membrana virale (in sostanza del virus) con la membrana della cellula ospite. È la fase che permette al virus di introdursi nelle cellule dell'organismo aggredito e diffondervi il suo genoma.

Legame alle cellule dell'ospite

La proteina spike effettua il legame alle cellule dell'ospite attraverso la sequenza RBD della subunità S1.

Gli studi scientifici hanno osservato che la sequenza RBD si lega alle cellule ospiti per mezzo di un'interazione con il recettore ACE2 posto sulla superficie della membrana plasmatica delle cellule stesse.

ACE2 è un enzima ed è omologo di ACE, la proteina deputata a convertire l'angiotensina 1-9.
Nell'essere umano, ACE2 è rinvenibile, principalmente, sulla superficie della membrana plasmatica delle cellule di organi quali polmoni, intestino, cuore e reni.

Una volta che la subunità S1 si è legata ad ACE2, la proteina S comincia a cambiare conformazione; questo evento serve a favorire la fase di fusione e l'ingresso del virus nella cellula ospite.

Il legame ad ACE2 e il cambio conformazionale che ne deriva sono due aspetti fondamentali per la realizzazione del vaccino contro SARS-CoV-2 e per capire i meccanismi di antigenicità e di risposta immunitaria attuata dall'ospite.

C'è tuttavia un problema che bisogna considerare: mutazioni a carico della subunità S1 e, in particolare alla sequenza di RBD, potrebbero cambiare il modo con cui si sviluppa il cambio conformazionale; di conseguenza, questo potrebbe ripercuotersi sulle caratteristiche antigeniche e sull'efficacia dei vaccini (per approfondire la tematica, si consiglia la lettura dell'articolo dedicato alle varianti di SARS-CoV-2).

Fusione alle Cellule dell'Ospite

La proteina spike attua la fusione del virus alla cellula ospite attraverso le sequenze aminoacidiche della subunità S2.

Il processo di fusione del virus avviene sull'onda del cambio conformazionale della proteina S indotto dal legame tra RBD e il recettore ACE2 dell'ospite: il cambio di conformazione di spike, infatti, avvicina la membrana virale alla membrana plasmatica della cellule ospite, fino all'interazione, alla fusione tra membrane e, infine, all'inglobamento del virus infettante.

Una volta che il genoma virale è all'interno della cellula ospite, il virus inizia la sua replicazione e il processo d'infezione può considerarsi completato.

Per approfondire: Mutazioni della Proteina Spike: le Varianti di SARS-CoV-2

Proteina del Pericapside

Anche note come proteine E, le proteine del pericapside di SARS-CoV-2 contribuiscono alla formazione del pericapside.

Esse costituiscono un gruppo di proteine molto piccole, formate soltanto da 75-109 aminoacidi.

Nonostante le loro dimensioni ridotte, le proteine E hanno un ruolo funzionale estremamente significativo: esse, infatti, sono di supporto all'assemblaggio e al rilascio dei virioni.

In microbiologia, è detto virione la particella virale matura, con il suo acido nucleico (DNA o RNA) racchiuso in una capsula proteica, detta capside.

Gli studi a riguardo hanno evidenziato che la proteina E di SARS-CoV-2 sia una viroporina, che, una volta nella cellula ospite, va a localizzarsi sulla membrana dell'apparato di Golgi e del reticolo endoplasmatico, per favorire l'assemblaggio e il rilascio dei virioni.

Una viroporina è una proteina virale che agisce come un canale di membrana all'interno delle cellule dell'ospite.

La proteina E di SARS-CoV-2 è molto simile a quella di SARS-CoV, mentre presenta alcune differenze rispetto a quella di MERS-CoV.

Proteina di Membrana

Le proteine di membrana (o proteine M) sono le proteine strutturali più abbondanti in SARS-CoV-2.

Esse presentano una sequenza aminoacidica di circa 220 elementi.

La proteina M di SARS-CoV-2 ricopre varie funzioni:

  • Definisce la forma del pericapside;
  • Interagendo con le proteine E, N ed S, organizza l'assemblaggio dei virioni.

La ricerca ha dimostrato che senza la proteina M, ma con tutte le altre proteine strutturali a disposizione, SARS-CoV-2 è incapace di assemblare nuovi virioni all'interno dell'ospite; questo significa che le proteine M hanno un ruolo chiave nel suddetto processo.

D'altro canto, le evidenze suggeriscono che:

  • L'interazione tra la proteina M e la proteina S assicura l'incorporazione di quest'ultima nei nuovi virioni;
  • L'interazione tra la proteina M e la proteina N stabilizza il nucleocapside (ossia il complesso RNA – proteina N) e promuove l'assemblaggio finale dei virioni.
  • Assieme alla proteine E, contribuisce alla formazione del pericapside.

Proteina del Nucleocapside

La proteina N, o proteina del nucleocapside, è l'unica proteina di SARS-CoV-2 in grado di legarsi al genoma virale.
Non a caso, grazie a questa proprietà, ha un ruolo chiave nel processo di confezionamento dell'RNA virale all'interno dei nuovi virioni.

Il complesso RNA virale – proteina N costituisce il cosiddetto nucleocapside.

Come anticipato, a mediare l'azione della proteina N è la proteina M: l'interazione tra queste due proteine, infatti, stabilizza il nucleocapside e promuove l'assemblaggio finale dei virioni.

È da segnalare che dagli studi sulla proteina N è emerso che quest'ultima sia coinvolta anche nella trascrizione e nella replicazione dell'RNA virale.
In seguito a tale scoperta, gli esperti hanno cominciato a considerare la proteina N un possibile bersaglio di nuovi farmaci specifici contro SARS-CoV-2.

La proteina N è altamente conservata nei coronavirus: per esempio, quella di SARS-CoV-2 presenta una sequenza aminoacidica sovrapponibile per il 90% a quella di SARS-CoV.

Proteine Non-Strutturali

Origine e Funzione delle Proteine Non-Strutturali di SARS-CoV-2

Il tema delle proteine non-strutturali (abbreviate in "nsp") di SARS-CoV-2 è alquanto complesso.
Necessita, quindi, di una semplificazione, al fine di una sua più agevole comprensione.

Innanzitutto, le proteine non-strutturali di SARS-CoV-2 sono in totale 16 elementi.

Esse derivano da due grandi proteine, chiamate poliproteina 1a (pp1a) e poliproteina 1ab (pp1ab), le quali a loro volta sono codificate, rispettivamente, dai geni virali noti come replicasi 1a e replicasi 1ab.

Il processo di formazione delle proteine non-strutturali a partire dalle due poliproteine vede il coinvolgimento di due specifici enzimi virali, chiamati proteasi e prodotti precocemente dal virus; queste proteasi si occupano di "tagliare" le poliproteine in punti ben precisi, in modo da dare origine alle singole proteine non-strutturali.

La strategia delle poliproteine (da cui derivano proteine più piccole) è molto comune tra i virus.

È interessante precisare che, prima dell'opera di taglio, le proteine ancora incluse nelle poliproteine sono inattive, non funzionali; diventano funzionali solo dopo l'intervento delle proteasi e la loro scissione rispetto alle catene aminoacidiche maggiori.

La funzione principale delle proteine non-strutturali di SARS-CoV-2 è occuparsi della trascrizione e della replicazione dell'RNA virale.

È tuttavia doveroso segnalare che queste proteine sono coinvolte anche nella patogenesi virale.

Proteasi di SARS-CoV-2

Due proteine non-strutturali fondamentali per SARS-CoV-2 sono, senza dubbio, le proteasi che si occupano di "tagliare" le poliproteine e formare le proteine utili alla trascrizione e replicazione dell'RNA virale.

Queste proteasi sono note come proteasi simile alla 3-chimotripsina (abbreviata in 3CLpro) e proteasi simile alla papaina (abbreviata in PLpro).

Considerato che le proteine a cui danno origine servono poi a propagare l'infezione nell'ospite, le proteasi in questione rappresentano un interessante target farmacologico.

RNA Polimerasi RNA-dipendente

L'RNA polimerasi RNA-dipendente è la proteina non-strutturale di SARS-CoV-2 indispensabile alla replicazione del genoma virale destinato ai nuovi virioni.

Anche questa proteina non-strutturale rappresenterebbe un bersaglio farmacologico allettante.

Patogenesi Virale

Come SARS-CoV-2 causa l’infezione COVID-19

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SARS-CoV-2 inizia il processo infettivo nel momento in cui, attraverso la proteina spike, riesce a invadere le cellule dell'ospite.

Come descritto nel capitolo dedicato alla proteina S, a garantire l'ingresso del virus nell'organismo ospite è l'interazione tra la sequenza RBD di spike e il recettore ACE2 presente sulla membrana plasmatica delle cellule del tratto respiratorio dell'ospite stesso.

A ingresso avvenuto, SARS-CoV-2 si "appropria" dei ribosomi dell'ospite e li sfrutta per tradurre il proprio genoma a RNA e creare le proteine necessarie alla replicazione dello stesso materiale genetico e all'assemblaggio di nuovi virioni.

Sulla base di quanto detto in precedenza, un ruolo chiave nella trascrizione e replicazione dell'RNA virale spetta alle proteine non-strutturali.

Con la trascrizione e la replicazione del genoma virale, SARS-CoV-2 comincia a diffondersi nell'ospite, dando il via alla malattia infettiva vera e propria.

In questa fase, il virus agisce sull'organismo ospite sia con un'attività citocida (cioè che uccide le cellule) sia con meccanismi immuno-mediati.

Per quanto concerne l'attività citocida, le evidenze suggeriscono che SARS-CoV-2 induca apoptosi (morte cellulare) e lisi cellulare; più nel dettaglio, è emerso che il virus produca dei sincizi all'interno della cellula infettata e causi la rottura dell'apparato di Golgi, a replicazione avvenuta. 

Per quanto riguarda invece i meccanismi immuno-mediati, le ricerche hanno dimostrato che SARS-CoV-2 coinvolge sia il sistema immunitario innato, sia quello adattativo (anticorpi e linfociti T).

Perché SARS-CoV-2 è più infettivo del Coronavirus di SARS?

Anche SARS-CoV, il Coronavirus responsabile di SARS, invade le cellule dell'ospite sfruttando l'interazione tra RBD e il recettore ACE2 presente sulle cellule del tratto respiratorio.

Tuttavia, c'è una differenza importante tra questo tipo di legame e quello messo in atto da SARS-CoV-2: la sequenza RBD del Coronavirus responsabile di COVID-19 ha molta più affinità per ACE2 e vi si lega in modo molto più efficiente, risultando decisamente più efficace nel processo di invasione delle cellule ospite.

Studi scientifici a riguardo hanno evidenziato che la differenza di interazione sopra descritta è dovuta a una diversa composizione aminoacidica tra RBD di SARS-CoV e RBD di SARS-CoV-2; in particolare, sono due le regioni aminoacidiche con importanti diversità.

Questa differenza di affinità spiega diversi aspetti:

  • Il motivo per cui SARS-CoV-2 presenti un R0 maggiore di SARS-CoV;
  • La ragione per cui farmaci e vaccini che avevano come target la sequenza RBD di SARS-CoV e che sembravano essere efficaci non sono adatti contro SARS-CoV-2.

Cos'è l'R0?

Anche noto come "numero di riproduzione di base", R0 rappresenta il numero medio di infezioni secondarie prodotte da ciascun individuo infetto in una popolazione completamente suscettibile (cioè mai venuta a contatto con il nuovo patogeno emergente).
Questo parametro misura la potenziale trasmissibilità di una malattia infettiva.

Per approfondire: Nuovo Coronavirus e SARS: Analogie e Differenze

Risposta Infiammatoria

SARS-CoV-2 e Rilascio di Citochine

In seguito all'ingresso di SARS-CoV-2, il sistema immunitario dell'organismo ospite infetto si attiva.

A questo punto, gli elementi del sistema immunitario (es: linfociti T) raggiungono il sito d'infezione e aggrediscono il virus.

Nella maggior parte della persone, il suddetto processo va a buon fine, eliminando il virus dall'organismo e consentendo all'individuo di recuperare.

In una certa percentuale di casi, però, accade che la malattia infettiva assuma connotati più gravi e che SARS-CoV-2 stimoli una risposta immunitaria aberrante.

Nella fattispecie, nei suddetti frangenti, è emerso che il virus causi una sovrapproduzione di citochine pro-infiammatorie (es: interleuchina-1, interleuchina-2, interleuchina-6 ecc) che si accumulano nei polmoni, fino a danneggiare il parenchima polmonare.

Le citochine pro-infiammatorie derivano dall'attività di alcune cellule del sistema immunitario.
In condizioni normali, esse servono a regolare la risposta immunitaria, l'infiammazione e l'emopoiesi.

Inoltre, i dati clinici e altre ricerche hanno dimostrato che la sovrapproduzione di citochine pro-infiammatorie osservata in presenza di una grave infezione da SARS-CoV-2 può estendersi ad altri organi (es: cuore), causandone la disfunzione, e avere ripercussioni sui processi coagulativi, inducendo la formazione di trombi.

Quando SARS-CoV-2 innesca una sovrapproduzione di citochine pro-infiammatorie estesa, gli esperti definiscono il fenomeno con l'espressione "sindrome da tempesta di citochine".

Bibliografia

  • Ahmad Abu Turab Naqvi, Kisa Fatima, Taj Mohammad, Urooj Fatima, Indrakant K. Singh, Archana Singh, Shaikh Muhammad Atif, Gururao Hariprasad, Gulam Mustafa Hasan, and Md. Imtaiyaz Hassan (101 october 2020) Insights into SARS-CoV-2 genome, structure, evolution, pathogenesis and therapies: Structural genomics approach. Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis.; 1866(10): 165878.
  • Yuan Huang, Chan Yang, Xin-feng Xu, Wei Xu and Shu-wen Liu (03 august 2020) Structural and functional properties of SARS-CoV-2 spike protein: potential antivirus drug development for COVID-19. Acta Pharmacologica Sinica volume 41, pages1141–1149.
  • Muge Cevik, clinical lecturer, Krutika Kuppalli, Jason Kindrachuk and Malik Peiris (23 October 2020) Virology, transmission, and pathogenesis of SARS-CoV-2. BMJ; 371: m3862.

Autore

Dott. Antonio Griguolo
Laureato in Scienze Biomolecolari e Cellulari, ha conseguito un Master specialistico in Giornalismo e Comunicazione istituzionale della scienza