5 травня, 2020
Новий коронавірус: структура геному, реплікація та патогенез*
Коронавіруси (CoV) відіграють значущу роль як збудники хвороб людини та хребетних тварин. Вони можуть уражати дихальний і травний тракт, печінку та центральну нервову систему людини, худоби, птахів, кажанів, мишей та інших диких тварин. Спалахи тяжкого гострого респіраторного синдрому (Severe acute respiratory syndrome; SARS) у 2002-2003 рр. і Близькосхідного респіраторного синдрому (Middle East respiratory syndrome; MERS) у 2012 р. продемонстрували можливість передачі нових CoV від тварини до людини та від людини до людини.
Спалах незвичної пневмонії в Ухані, що почався в грудні 2019 р., привернув величезну увагу всього світу. Китайський уряд і дослідники вживають швидких заходів для контролю спалаху та проведення етіологічних досліджень. Збудник загадкової пневмонії був визначений як новий коронавірус (nCoV) за допомогою глибокого секвенування та етіологічних досліджень принаймні 5 незалежними лабораторіями Китаю (www.virological.org та www.gisaid.org). 12 січня 2020 р. Всесвітня організація охорони здоров’я (ВООЗ) тимчасово назвала його новим коронавірусом 2019 року (2019-nCoV) (11 лютого 2020 р. ВООЗ визначилася з офіційною назвою – COVID‑19, що є скороченням від Coronavirus disease. – Прим. ред.).
Спорадичне виникнення нових типів CoV і зумовлених ними спалахів нагадують, що CoV становить серйозну глобальну загрозу для здоров’я. Дуже ймовірно, що у зв’язку зі змінами клімату, екології, а також збільшенням взаємодії людини з тваринами нові спалахи цієї інфекції неминучі. Таким чином, виникає нагальна потреба в розробці ефективних методів терапії та профілактики CoV-інфекції.
Структура вірусного геному та реплікація
CoV належить до підродини Coronavirinae родини Coronaviridae порядку Nidovirales. До цієї підродини належать 4 роди: Alphacoronavirus, Betacoronavirus, Gammacoronavirus і Deltacoronavirus. Геном CoV являє собою одноланцюгову позитивну РНК (+ssRNA) (~30 тис пар нуклеотидів; т.п.н.) з 5′-метильованим кепом і 3′-полі-A-хвостом. Геномна РНК виступає матрицею для прямої трансляції поліпротеїну 1a/1ab (pp1a/pp1ab), який кодує неструктурні білки (nsp), що утворюють реплікаційно-транскрипційний комплекс (RTC) у везикулах, утворених двошаровою мембраною. Далі за допомогою RTC шляхом переривчастої транскрипції синтезується вкладений набір субгеномних РНК (сгРНК). Ці субгеномні месенджерні РНК (мРНК) мають спільні 5′-лідерні та 3′-термінальні послідовності. Припинення транскрипції та формування лідерної РНК відбувається на регуляторних послідовностях транскрипції, розташованих між відкритими рамками зчитування (open reading frames; ORF). Ці мінус-ланцюги РНК слугують шаблонами для утворення субгеномних мРНК.
Геном і субгеноми типового CoV містять щонайменше 6 ORF. Перші ORF (ORF1a/b) становлять приблизно дві третини довжини геному, кодують 16 неструктурних білків (nsp1-16), за винятком гаммакоронавірусу, в якого nsp1 відсутній. Між ORF1a і ORF1b є -1 зсув рамки зчитування, що забезпечує утворення двох поліпептидів: pp1a та pp1ab. З цих поліпептидів під впливом вірусної хімотрипсиноподібної протеази (3CLpro) або основної протеази (Mpro) та однієї або двох папаїноподібних протеаз утворюються 16 неструктурних білків. Інші ORF, що займають третину геному біля 3′-кінця, кодують щонайменше 4 основні структурні білки: шип (S), мембрану (M), оболонку (E) та нуклеокапсидні білки (N). Крім цих 4 основних структурних білків різні CoV кодують спеціальні структурні та допоміжні білки, такі як HE, 3a/b, 4a/b. Усі структурні та допоміжні білки утворюються за допомогою трансляції з сгРНК.
Вирівнювання геномної послідовності різних CoV демонструє 58% ідентичність на ділянці, що кодує nsp, 43% ідентичність на ділянці кодування структурних білків і 54% – на рівні всього геному, що свідчить про те, шо nsp є консервативнішими, а структурні білки – різноманітнішими, бо мають адаптуватися до нових хазяїв. Оскільки частота мутацій під час реплікації РНК-умісних вірусів значно вища, ніж ДНК-умісних, довжина геному РНК-умісних вірусів зазвичай становить менше ніж 10 т.п.н. Однак довжина геному CoV набагато більша, приблизно 30 т.п.н., у порівнянні з найвідомішими РНК-умісними вірусами. Підтримання такої довжини геному CoV може здійснюватися завдяки особливим властивостям RTC, який містить ферменти, що забезпечують процесинг РНК, зокрема 3′-5′-екзорибонуклеазу nsp14.
Екзорибонуклеаза 3′-5′ є унікальною для CoV і не виявляється в інших РНК-умісних вірусів. Вона, ймовірно, забезпечує корекційну функцію RTC. Аналіз послідовності показує, що 2019-nCoV має типову структуру геному і належить до кластеру бетакоронавірусів, до якого належать CoV кажанів – Bat-SARS-like (SL)–ZC45, Bat-SL ZXC21, – а також SARS-CoV і MERS-CoV. Виходячи з філогенетичного дерева CoV, 2019 nCoV тісніше пов’язаний із Вat-SL-CoV ZC45 і Вat-SL-CoV ZXC21 та більш віддалено – із SARS-CoV.
Роль неструктурних і структурних білків у реплікації CoV
Більшість nsp1-16 беруть участь у реплікації CoV. Однак функції деяких nsp невідомі або вивчені недостатньо.
Основними для збирання віріонів та інфікування є 4 структурні білки. Гомотримери білків S утворюють на поверхні вірусу шипи і відповідають за приєднання до рецепторів хазяїна. М-білок має три трансмембранні домени, відповідає за форму віріону, сприяє формуванню вигинів мембрани та утворює зв’язки з нуклеокапсидом. Білок Е бере участь у збиранні та виході вірусу, а також у патогенезі вірусної інфекції. Білок N має два домени, обидва з яких за допомогою різних механізмів можуть зв’язувати геном вірусної РНК. Повідомляють, що N-білок може зв’язуватися з nsp3, сприяючи приєднанню геному до RTC і упакуванню інкапсидованого геному у віріони. Білок N також є антагоністом інтерферону (INF) і репресором інтерференції РНК, що, очевидно, є сприятливим для реплікації вірусу.
Різноманітність патогенезу CoV-інфекції
Різні CoV мають різноманітний спектр хазяїв і тропні до різних тканин. Зазвичай альфакоронавіруси та бетакоронавіруси вражають ссавців. Гаммакоронавіруси та дельтакоронавіруси – птахів і риб, але деякі з них можуть вражати і ссавців. До 2019 р. було відомо лише 6 CoV, здатних інфікувати людину та спричинювати респіраторні захворювання.
HCoV‑229E, HCoV-OC43, HCoV-NL63 і HKU1 спричинюють легкі захворювання верхніх дихальних шляхів, у рідкісних випадках деякі з них можуть спричинювати тяжку інфекцію в немовлят, дітей молодшого та осіб похилого віку. SARS-CoV і MERS-CoV можуть вражати нижні дихальні шляхи та спричинювати тяжкий респіраторний синдром людини. Деякі CoV можуть вражати худобу, птахів, кажанів, мишей, китів і багатьох інших диких тварин, що може зумовлювати значні економічні втрати. Наприклад, у 2016 р. CoV кажанів HKU2, пов’язаний із синдромом гострої діареї свиней, спричинив масштабний спалах смертельного захворювання у Південному Китаї. Загинуло понад 24 тис поросят. Це перший документально підтверджений випадок поширення CoV кажанів, що спричинив тяжкі захворювання в худоби.
Новий CoV, 2019-nCoV, який на основі аналізу послідовності відносять до бетакоронавірусів, також може вражати нижні дихальні шляхи та спричинювати пневмонію в людини, але, очевидно, з легшим перебігом, ніж у випадку SARS і MERS.
Спочатку багато хворих мали прямий чи опосередкований зв’язок з оптовим ринком морепродуктів Huanan у м. Ухань, який, як вважають, є початковим місцем спалаху 2019 року. Однак передача 2019-nCoV від риб до людини малоймовірна. 2019-nCoV і CoV білуги – Beluga Whale CoV/SW1 – належать до різних родів і, очевидно, мають різний спектр хазяїв. Оскільки ринок морепродуктів в Ухані продає й інших тварин, природного хазяїна 2019-nCoV ще належить ідентифікувати.
У зв’язку з можливістю передачі вірусу від тварини до людини слід постійно контролювати CoV-інфекцію серед свійської худоби та інших тварин, у тому числі кажанів і диких тварин, що продаються на ринку. Крім того, з’являється все більше свідчень, що 2019-NCoV передається від людини до людини, оскільки інфекція розвивається в людей, які не відвідували Ухань, але мали тісний контакт із членами сім’ї, які відвідали і були інфіковані (www.cctv.com).
Основні патогенні CoV наведено в таблиці.
Лікування та профілактика
На сьогодні немає специфічної противірусної терапії CoV-інфекції, основні методи лікування – підтримувальні. Рекомбінантний інтерферон із рибавірином виявляє обмежений ефект проти CoV. Після епідемії SARS і MERS були спрямовані великі зусилля на розробку нових противірусних препаратів, які б діяли на протеази, полімерази, метилтрансферази та білки злиття CoV, проте жоден із них не продемонстрував ефективість у клінічних випробуваннях. Запропоновані для застосування плазма та антитіла отримані від реконвалесцентів.
Крім того, розроблено вакцини з використанням інактивованих вірусів, живих атенуйованих вірусів, вакцини на основі вірусних векторів, субодиничні вакцини, з використанням рекомбінантних білків і ДНК, але дотепер їх досліджували лише на тваринах.
У зв’язку з відсутністю ефективної терапії та вакцини нині найкращими заходами є контроль джерел інфекції, рання діагностика, звітність, ізоляція, підтримувальне лікування та своєчасне інформування про епідемію задля уникнення зайвої паніки. Засоби особистої профілактики – належна гігієна, правильно підігнана маска, вентиляція та уникнення місць скупчення людей – допоможуть запобігти зараженню CoV.
Chen Y. Emerging coronaviruses: Genome structure, replication, and pathogenesis. J Med Virol. 2020;92:418-423.
Реферативний огляд підготувала Євгенія Канівець
Повна версія статті на сайті:
https://onlinelibrary.wiley.com/journal/10969071
*Клінічна імунологія. Алергологія. Інфектологія, № 1 (122), 2020 р.
Тематичний номер «Пульмонологія, Алергологія, Риноларингологія» № 1 (50), 2020 р.