Коронавирус: патофизиология, механизмы пневмонии, вызванной SARS-CoV-2. Часть 2

КоВ представляют собой оболочечные вирусы с положительной цепью РНК с нуклеокапсидом. Для изучения патогенетических механизмов SARS-CoV-2 необходимо учитывать его вирусную структуру и геном.

Патофизиология коронавируса

В CoVs геномная структура организована в + оцРНК длиной примерно 30 т.п.н. – это самые большие известные РНК-вирусы – и имеет 5′-кэп-структуру и 3′-поли-А-хвост. Исходя из вирусной РНК, в хозяине осуществляется синтез полипротеина 1a / 1ab (pp1a / pp1ab). Транскрипция осуществляется через комплекс репликации-транскрипции (RCT), организованный в пузырьках с двойной мембраной, и через синтез последовательностей субгеномных РНК (sgRNAs). 

Следует отметить, что терминация транскрипции происходит в регуляторных последовательностях транскрипции, расположенных между так называемыми открытыми рамками считывания (ORF), которые работают как матрицы для продукции субгеномных мРНК. В атипичном геноме CoV может присутствовать по крайней мере шесть ORF. Среди них сдвиг рамки между ORF1a и ORF1b направляет продукцию полипептидов pp1a и pp1ab, которые процессируются вирусной кодируемой химотрипсин-подобной протеазой (3CLpro) или основной протеазой (Mpro), а также одной или двумя папаиноподобными протеазами для получения 16 с известными или предполагаемыми функциями синтеза и модификации РНК неструктурных белков (nsps 1-16). 

Помимо ORF1a и ORF1b, другие ORF кодируют структурные белки, включая белки шипа, мембраны, оболочки и нуклеокапсида, а также одну или две папаиноподобные протеазы для продуцирования 16 неструктурных белков с известными или предсказанными функциями синтеза и модификации РНК (nsps 1-16) и вспомогательные белковые цепи. Различные CoV представляют собой специальные структурные и вспомогательные белки, транслируемые специальными sgRNA.

Патофизиология и механизмы вирулентности CoV, а следовательно, и SARS-CoV-2 связаны с функцией nsps и структурных белков. Например, исследования выявили, что nsp способен блокировать врожденный иммунный ответ хозяина. 

Среди функций структурных белков решающую роль в патогенности вируса играет оболочка, поскольку она способствует сборке и высвобождению вируса. Однако многие из этих свойств (например, nsp 2 и 11) еще не описаны. Другие элементы, на которых обязательно должны сосредоточиться исследования, – это ORF3b, не имеющий гомологии с таковым у SARS-CoV, и секретируемый белок (кодируемый ORF8), который структурно отличается от таковых SARS-CoV.

Среди структурных элементов CoVs есть гликопротеины шипов, состоящие из двух субъединиц (S1 и S2). Гомотримеры белков S образуют шипы на поверхности вируса, управляя связью с рецепторами хозяина. Следует отметить, что в SARS-CoV-2 субъединица S2, содержащая слитый пептид, трансмембранный домен и цитоплазматический домен, является высококонсервативной. Таким образом, он может быть мишенью для противовирусных (анти-S2) соединений или вакцин. 

Напротив, спайковый рецептор-связывающий домен (RBD) имеет только 40% аминокислотную идентичность с другими SARS-CoV. RBD является фундаментальным пептидным доменом в патогенезе инфекции. Он представляет собой элемент связывания рецептора человеческого ангиотензин-превращающего фермента 2 (ACE2). Хотя изначально предполагалось, что ингибиторы ренин-ангиотензин-альдостероновой системы не увеличивают риск госпитализации по поводу COVID-19 и тяжелого заболевания, RBD является наиболее изменчивым и имеет решающее значение для видовой специфики. 

Хотя структурный и функциональный анализ демонстрирует, что домен RBD шипового белка очень близок к человеческому рецептору ACE2, компьютерный анализ соответствующей последовательности выявляет несколько важных аминокислот, которые совместимы, но не идеальны для связывания рецептора ACE2. Это могло свидетельствовать о серии адаптивных мутаций, а не о производстве вируса in vitro (соответствие было бы прямым). 

Интересно, что поскольку нет различий в экспрессии ACE2 в зависимости от пола, возраста и расы, различия в частоте и тяжести заболевания, вероятно, связаны с разными иммунными факторами, а не с рецепторным связыванием. С другой стороны, курение сигарет и воспалительная передача сигналов могут усиливать экспрессию рецепторов в легких.

Другие факторы входят в патогенетический каскад и требуют более подробного объяснения. Например, нам нужно понять, почему смертность и более тяжелые формы заболеваний у мужчин выше, чем у женщин. Вероятно, ключевую роль в этом различии играет гормональный фон. В простате, например, андрогены индуцируют экспрессию сериновой протеазы TMPRSS2, используемой Sars-CoV-2 для праймирования S-белка.

Таким образом, спайковый RBD позволяет связываться с рецептором ACE2 в легких и других тканях. Присутствие в спайковом белке аминокислотного элемента (многоосновного элемента) позволяет функционально обрабатывать его ферментом фурином (протеазой) человека. Этот процесс позволяет выявить последовательности слияния и, следовательно, слияние вирусной и клеточной мембран, что является необходимым проходом для проникновения вируса в клетку.

В международных генных банках, таких как GenBank, исследователи опубликовали несколько последовательностей генов Sars-CoV-2. Картирование генов имеет фундаментальное значение, позволяя исследователям проследить филогенетическое древо вируса и, прежде всего, распознавать штаммы, которые различаются в зависимости от мутаций. 

Согласно недавнему исследованию, спайковая мутация, которая, вероятно, произошла в конце ноября 2019 года, спровоцировала скачки на людей. В частности, Angeletti et al. сравнили последовательность гена Sars-Cov-2 с последовательностью гена Sars-CoV. Они проанализировали трансмембранные спиральные сегменты в ORF1ab, кодируемые 2 (nsp2) и nsp3, и обнаружили, что позиция 723 представляет серин вместо остатка глицина, в то время как положение 1010 занято пролином вместо изолейцина. 

Эти данные предоставляют нам важную информацию о потенциальном происхождении вируса. Интересно, что Covs панголина (Manis javanica) имеют домен RBD, идентичный домену спайкового белка SARS-CoV2 человека. Однако ни CoV летучих мышей, ни те, что присутствуют у панголинов, не имеют последовательности многоосновного элемента фурина, что позволяет предположить, что естественный отбор также должен благоприятствовать приобретению этого элемента для перехода к передаче от человека к человеку. Вопрос о вирусных мутациях является ключевым для объяснения потенциальных рецидивов болезни.

Механизмы пневмонии, вызванной SARS-CoV-2

Патогенетический механизм, вызывающий пневмонию, кажется особенно сложным. Клинические и доклинические исследования должны будут объяснить многие аспекты, лежащие в основе конкретных клинических проявлений болезни. Доступные к настоящему времени данные, по-видимому, указывают на то, что вирусная инфекция способна вызывать чрезмерную иммунную реакцию у хозяина. В некоторых случаях имеет место реакция, которую в целом называют «цитокиновым штормом». Эффект – обширное повреждение тканей с дисфункциональной коагуляцией. 

Совсем недавно итальянские исследователи для обозначения вирусного поражения легких, связанного с воспалительной реакцией и микрососудистым тромбозом легких, ввели термин MicroCLOTS (микрососудистый COVID-19 легочный синдром обструктивного тромбо-воспалительного синдрома). Хотя в патогенный каскад болезни вовлечены некоторые цитокины, такие, как фактор некроза опухоли α (TNF-α), IL-1β, IL-8, IL-12, интерферон-гамма-индуцибельный белок (IP10), воспалительный белок макрофагов 1A (MIP1A) и хемоаттрактантный белок моноцитов 1 (MCP1), главным действующим лицом этой бури является интерлейкин 6 (IL-6). 

IL-6 производится в основном активированными лейкоцитами и действует на большое количество клеток и тканей:

• Способствует дифференцировке В-лимфоцитов;
• Способствует росту одних категорий клеток и подавляет рост других;
• Стимулирует выработку белков острой фазы;
• Играет важную роль в терморегуляции, поддержании состояния костей и функциональности центральной нервной системы. 

Хотя основную роль для IL-6 играет провоспалительный процесс, он также может оказывать противовоспалительное действие. В свою очередь, IL-6 увеличивается при воспалительных заболеваниях, инфекциях, аутоиммунных нарушениях, сердечно-сосудистых заболеваниях и некоторых типах рака. Он также участвует в патогенезе синдрома высвобождения цитокинов (CRS), который представляет собой острый системный воспалительный синдром, характеризующийся лихорадкой и полиорганной дисфункцией. 

Ил-6 – не единственный главный герой. Было доказано, например, что связывание SARS-CoV-2 с толл-подобным рецептором (TLR) индуцирует высвобождение про-IL-1β, который расщепляется на активный зрелый IL-1β, опосредующий воспаление легких, до фиброза. Он также участвует в патогенезе синдрома высвобождения цитокинов (CRS), который представляет собой острый системный воспалительный синдром, характеризующийся лихорадкой и полиорганной дисфункцией.

Продолжение статьи

• Часть 1. Коронавирус: особенности инфекции, диагностика и лечение.
• Часть 2. Коронавирус: патофизиология, механизмы пневмонии, вызванной SARS-CoV-2.
• Часть 3. Коронавирус: гистопатология, типы пневмонии, синдром острого респираторного дистресса, сепсис.
• Часть 4. Коронавирус: диагностика.
• Часть 5. лечение коронавируса.
• Часть 6. Коронавирус: профилактика, вакцинация, прогноз.