Κορονοϊός: Πως μολύνει τα κύτταρα και γιατί η μετάλλαξη Δέλτα είναι τόσο μεταδοτική

Μετά από 19 μήνες εργασίας, υποστηριζόμενο από δεκαετίες προηγούμενων ερευνών πάνω στους κορωνοϊούς, έχουμε πλέον στην διάθεσή μας μια 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 στο κύτταρο.

Αργότερα, καθώς βγαίνει από τα κύτταρα, ο SARS-CoV-2 εκτελεί μια 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 μια δημοσίευση στο υψηλού κύρους 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.

Δεύτερον, η μόλυνση μειώνει τη συνολική μετάφραση πρωτεϊνών στο κύτταρο κατά 70%. Η πρωτεΐνη του ιού Nsp1 είναι και πάλι ο κύριος ένοχος, αυτή τη φορά αποκλείει το κανάλι εισόδου των ριβοσωμάτων, έτσι ώστε το mRNA να μην μπορεί να μπει μέσα και 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 την μόλυνση. Πάλι η Nsp1 φαίνεται να μπλοκάρει τα κανάλια εξόδου στον πυρήνα του κυττάρου, ώστε να μην το mRNA του κυττάρου για μετάφραση.

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 Alpha φαίνεται να την κάνουν ικανότερη να αναστείλει την παραγωγή ιντερφερόνης ακόμη πιο αποτελεσματικά.

Αναδιαμόρφωση

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

Πρώτον, μερικές από τις πρόσφατα συναρμολογημένες πρωτεΐνες ακίδες του ιού ταξιδεύουν στην επιφάνεια του κυττάρου και σπρώχνουν την μεμβράνη-ξενιστή. Εκεί, ενεργοποιούν ένα κανάλι ιόντων ασβεστίου του ξενιστή, το οποίο αποβάλλει μια λιπαρή επικάλυψη στο εξωτερικό του κυττάρου-την ίδια επικάλυψη που βρίσκεται στα κύτταρα που συνενώνονται, όπως τα μυϊκά κύτταρα. Σε αυτό το σημείο, τα μολυσμένα κύτταρα συντήκονται με γειτονικά κύτταρα που εκφράζουν τον υποδοχέα ACE2, και εξελίσσονται σε ογκώδη αναπνευστικά κύτταρα γεμάτα με έως και 20 πυρήνες. Αυτές οι συντηγμένες δομές, που ονομάζονται συγκύτια, προκαλούνται και από άλλες από ιογενείς λοιμώξεις όπως ο ιός HIV και ο απλός έρπης, αλλά όχι από τον ιό SARS. Πιθανά ο σχηματισμός συγκυτίων επιτρέπει στα μολυσμένα κύτταρα να ευδοκιμήσουν για μεγάλα χρονικά διαστήματα, αναβλύζοντας όλο και περισσότερα ιό. Ορισμένα μολυσμένα με κύτταρα σχηματίζουν συγκυτία ακόμη και με λεμφοκύτταρα – ένα από τα κύτταρα του ανοσοποιητικού. Αυτός είναι ένας γνωστός μηχανισμός αποφυγής του ανοσοποιητικού συστήματος από καρκινικά κύτταρα, αλλά όχι από ιούς.

Στο εσωτερικό του κυττάρου, συμβαίνουν ακόμη μεγαλύτερες αλλαγές. Όπως και άλλοι κορωνοϊοί, ο SARS-CoV-2 μετατρέπει το μακρύ, λεπτό ενδοπλασματικό δίκτυο (ER), ένα δίκτυο από επίπεδες μεμβράνες που εμπλέκονται στη σύνθεση και τη μεταφορά πρωτεϊνών, σε σφαίρες με διπλή μεμβράνη, σαν το ενδοπλασματικό δίκτυο να σχηματίζει φυσαλίδες. Αυτά τα κυστίδια διπλής μεμβράνης (DMVs) μπορεί να παρέχουν ένα ασφαλές μέρος για την αναπαραγωγή και μετάφραση του ιικού RNA, προστατεύοντάς το από έμφυτους ανοσοποιητικούς αισθητήρες του κυττάρου, αλλά αυτή η υπόθεση εξακολουθεί να ερευνάται.

Οι πρωτεΐνες που εμπλέκονται στην σχηματισμό των κυστιδίων διπλής μεμβράνης θα μπορούσαν να αποτελέσουν καλούς στόχους φαρμάκων, επειδή φαίνεται ότι είναι απαραίτητες για την αντιγραφή του ιού. Για παράδειγμα, μια πρωτεΐνη του κυττάρου-ξενιστή, η TMEM41B, απαιτείται για την κινητοποίηση χοληστερόλης και άλλων λιπιδίων για την επέκταση των μεμβρανών του ενδοπλασματικού δικτύου έτσι ώστε όλα τα μέρη του ιού να χωρέσουν μέσα. Η αναστολή της TMEM41B, έχει σημαντικό αντίκτυπο στη μόλυνση. Η διαμεμβρανική πρωτεΐνη Nsp3 του κορωνοϊού θα μπορούσε επίσης να είναι ένας στόχος καθώς δημιουργεί έναν πόρο που μοιάζει με κορώνα στα τοιχώματα των κυστιδίων διπλής μεμβράνης για να απομακρύνει το ιικό RNA που παράχθηκε μετά την μόλυνση.
Περιτύλιγμα

Οι περισσότεροι ιοί που έχουν εξωτερικό περιτύλιγμα, γνωστό ως φάκελο, σχηματίζουν αυτό το χαρακτηριστικό συναρμολογώντας τα κυστίδια απευθείας στην άκρη του κυττάρου, ξεκλέβοντας τμήματα από την κυτταροπλασματική μεμβράνη του ίδιου του κυττάρου κατά την έξοδό τους. Αλλά οι νεοφτιαγμένες πρωτεΐνες του κορωνοϊού ακολουθούν διαφορετικό δρόμο.

Τα στοιχεία δείχνουν ότι οι κορωνοϊοί μεταφέρονται έξω από το κύτταρο μέσω του συμπλέγματος Golgi, που είναι ένα οργανίδιο που λειτουργεί σαν ταχυδρομείο: συσκευάζει μόρια σε μεμβράνες και τα στέλνει σε άλλα μέρη του κυττάρου. Εκεί, ο ιός σχηματίζει ένα περίβλημα λιπιδίων από τη μεμβράνη του συμπλέγματος Golgi. Τα νεοσυσταθέντα σωματίδια του ιού μεταφέρονται στη συνέχεια μέσα στα κυστίδια Golgi στην κυτταρική επιφάνεια, όπου εκτοξεύονται έξω από το κύτταρο.

Όμως ερευνητές από τις ΗΠΑ ανέφεραν ότι είχαν εντοπίσει κορωνοϊούς να φεύγουν από το κύτταρο μέσω λυσοσωμάτων (πρόκειται για ενδοκυτταρικούς κάδους «σκουπιδιών» γεμάτους με ένζυμα που διασπούν τμήματα των κυττάρων). Παρατήρησαν ότι αποκλεισμός της εκκριτικής οδού που βασίζεται στο σύστημα Golgi δεν φαίνεται να επηρεάζει την ποσότητα του μολυσματικού ιού που απελευθερώνεται. Αντίθετα τα στοιχεία δείχνουν ότι οι πρωτεΐνες του ιού σχηματίζουν ένα περίβλημα μέσα στο ενδοπλασματικό δίκτυο, και στη συνέχεια εκμεταλλεύονται τα λυσοσώματα για να βγουν από το κύτταρο. Οι ερευνητές δοκιμάζουν επί του παρόντος αναστολείς που εμποδίζουν τη διαδικασία λυσοσωμικής εξόδου.

Η έξοδος από ένα κύτταρο μέσω του συστήματος Golgi ή των λυσοσωμάτων είναι αργή και αναποτελεσματική σε σύγκριση με την εκκόλαψη από την κυτταροπλασματική μεμβράνη, και οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν γιατί το κάνει ο SARS-CoV-2. Υποψιάζονται ότι η σύνθεση των λιπιδίων ενός φακέλου που προέρχεται από το Golgi ή τα λυσοσώματα είναι ίσως πιο “κατάλληλη” για τον ιό από ότι από ένα φάκελο που προέρχεται από την κυτταροπλασματική μεμβράνη.
Μολυσματικό

Κατά την έξοδο από το κύτταρο, ένα ακόμη γεγονός κάνει αυτόν τον ιό ιδιαίτερα μολυσματικό: μια ταχεία αποκοπή σε μια θέση με πέντε αμινοξέα προετοιμάζει τον ιό να επιτύχει τον επόμενο στόχο του. Εκεί που άλλοι κορωνοϊοί έχουν ένα μόνο αμινοξύ αργινίνης στη συμβολή των υπομονάδων S1 και S2 της ακίδας, ο SARS-CoV-2 έχει μια σειρά από πέντε αμινοξέα: προλίνη, αργινίνη, αργινίνη, αλανίνη και αργινίνη. Τον Μάιο του 2020, ερευνητές ανέφεραν ότι μια πρωτεΐνη των κυττάρων του ξενιστή που ονομάζεται φουρίνη αναγνωρίζει και περικόπτει αυτήν τη σειρά αμινοξέων και η τομή αυτή είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική είσοδο του ιού στα ανθρώπινα πνευμονικά κύτταρα.

Δεν είναι η πρώτη φορά που οι ερευνητές έχουν εντοπίσει μια θέση διάσπασης από την φουρίνη σε έναν ιό. Οι πολύ παθογόνοι ιοί της γρίπης των πτηνών έχουν επίσης τέτοιες θέσεις. Ένα στέλεχος του SARS-CoV-2 σε καλλιέργεια έχασε αυτή την περιοχή διάσπασης από τη φουρίνη, εμφάνιζε μικρότερη ικανότητα μόλυνσης των κυττάρων σε πειραματόζωα. Σε μια άλλη μελέτη διαπιστώθηκε επίσης ότι ο κορωνοϊός με άθικτη περιοχή διάσπασης από την φουρίνη εισέρχεται σε ανθρώπινα κύτταρα της αναπνευστικής οδού ταχύτερα από ότι χωρίς αυτή τη θέση διάσπασης.

Πιθανά η φουρίνη “κόβει” την περιοχή αυτή σε κάποιο σημείο κατά τη διάρκεια της συναρμολόγησης των σωματιδίων του ιού ή λίγο πριν την απελευθέρωση τους. Ο συγχρονισμός μπορεί να εξηγήσει γιατί ο ιός εξέρχεται μέσω του Golgi ή των λυσοσωμάτων, καθώς μόλις συναρμολογηθεί ο ιός, μεταφέρεται σε ένα οργανίδιο όπου υπάρχει άφθονη η πρωτεάση φουρίνη.

Με την απόσπαση του “συνδέσμου” μεταξύ των υπομονάδων S1 και S2, μετά την αποκοπή από τη φουρίνη, η ακίδα του ιού, θα υποστεί μια δεύτερη «κοπή» από την TMPRSS2, η οποία εκθέτει την υδρόφοβη περιοχή που “θάβεται”» γρήγορα στην μεμβράνη κυττάρου ξενιστή. Εάν οι αιχμές δεν προ-επεξεργαστούν από την φουρίνη-και δεν συμβαίνει πάντα-τότε αναγκαστικά παρακάμπτουν το στάδιο της επεξεργασίας από την TMPRSS2 και εισέρχονται μέσω του πιο αργού μονοπατιού μέσω εμοδσωματων, ή και καθόλου.

Δύο παραλλαγές του κορωνοϊού, Alpha και Delta, έχουν αλλάξει τις θέσεις διάσπασης της φουρίνης. Στην παραλλαγή Alpha, το αρχικό αμινοξύ προλίνη έχει αλλάξει σε ιστιδίνη (P681H) ενώ στην παραλλαγή Delta, 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 μετάδοση του. Περισσότερες ακίδες που «κόβονται» από την 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 Alpha, υπερβαίνει το 50%. Στην πολύ μεταδοτική παραλλαγή του Delta, 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 στην γνώση περιλαμβάνουν τον αριθμό των υποδοχέων ACE2 που απαιτούνται για τη σύνδεση σε κάθε ακίδα πρωτεΐνης, το πότε όταν ακριβώς η υπομονάδα S2 διασπάται από την TMPRSS2, ο αριθμός 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 Delta χαρακτηρίζεται από ταχύτερη αύξηση των επιπέδων του ιού και σε υψηλότερα επίπεδα στην αναπνευστική οδό από ότι οι προηγούμενες παραλλαγές του ιού, όμως δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητό το πώς οι μεταλλάξεις της παραλλαγής Delta έχουν κάνει το ιό τόσο μεταδοτικό.

Πηγές: ΕΚΠΑ