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Caratteristiche di SARS-CoV-2

Prof. Giorgio Galinella Virologo U.O. Microbiologia, Ospedale S. Orsola-Malpighi. Bologna, docente di Microbiologia presso Università Bologna

Il virus SARS- CoV-2 (Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2) è un virus appartenente alla famiglia Coronaviridae, una vasta e diversificata famiglia di virus a RNA in grado di infettare molti ospiti vertebrati, incluso l’uomo. All’interno della famiglia, sono inclusi virus già noti da tempo e in grado di infettare l’uomo causando lievi infezioni respiratorie (p. es., OC43, 229E, …). In aggiunta, già nel 2002-2003 si è osservata l’emergenza e la diffusione di una infezione severa causata da un nuovo coronavirus, trasmesso da ospite animale all’uomo, denominato SARS-CoV (Severe Acute Respiratory Sindrome Coronavirus). Un altro coronavirus in grado di causare infezioni gravi è il MERS-CoV (Middle East Respiratory Sindrome Coronavirus), un virus identificato a partire dal 2012 che sporadicamente si può trasmettere da ospite animale (camelidi). In entrambi i casi i virus non si sono adattati efficacemente all’uomo, e anche grazie alle misure di prevenzione l’infezione è stata eradicata (SARS-CoV) o mantenuta sotto controllo nei suoi casi sporadici (MERS-CoV).
Il SARS-CoV-2 è emerso alla fine del 2019 come nuovo virus adattato all’ospite umano ed è da allora diventato il responsabile della pandemia in corso, che da un punto di vista clinico si manifesta come una patologia denominata COVID-19 (coronavirus disease 2019). Gli sforzi della comunità scientifica sono volti alla migliore comprensione del virus, della sua diffusione, della sua capacità di causare patologia, e alla definizione di strategie per la prevenzione e cura dell’infezione.

Emergenza e diffusione
Casi di infezione severa delle vie respiratorie senza una diagnosi definita sono stati osservati in Cina, città di Wuhan, già all’inizio dicembre 2019. La notifica di questi casi all’OMS è avvenuta a fine mese, e all’inizio di gennaio tecniche di indagine molecolari hanno permesso l’identificazione come agente responsabile di un nuovo Coronavirus. La prima sequenza del genoma del virus è stata pubblicata il 10 gennaio 2020, rendendo quindi possibile l’allestimento di test diagnostici molecolari per una diagnosi diretta e su larga scala. Le misure di contenimento adottate in Cina, se da una parte hanno consentito di ridurre la circolazione del virus nel territorio cinese, non hanno tuttavia impedito la diffusione del virus al di fuori dei confini cinesi, evento probabilmente già avvenuto prima della identificazione del virus. Dal febbraio 2020, il virus è stato progressivamente ritrovato in paesi di tutti i continenti, con una diffusione su scala globale che è al momento in piena progressione. Le evidenze genetiche suggeriscono che il virus si è originato in un serbatoio animale, e da questo ha avuto modo di trasmettersi all’uomo. Non è però possibile ricostruire con certezza l’evento primario di trasmissione, né per la data né per il luogo o la modalità.

Caratteristiche molecolari e evoluzione
Le conoscenze sulla genetica ed evoluzione del virus si stanno accumulando rapidamente grazie alle tecniche di indagine molecolare a disposizione, in particolare alla capacità di determinare in modo rapido e accurato la sequenza del genoma virale, alla disponibilità pubblica dei dati e alle tecniche bioinformatiche che consentono di operare dei confronti di dati genetici su larga scala. Queste indagini consentono in primo luogo di analizzare la parentela del virus SARS-CoV-2 rispetto ad altri virus noti della famiglia, e quindi di ricostruire la diffusione ed evoluzione del virus a livello globale, inclusa l’identificazione delle mutazioni che possono rendere il virus sempre meglio adattato all’ospite umano.

Figura 1. Cartone rappresentativo di SARS-CoV-2. È indicato il complesso di RNA e nucleoproteina N, la proteina di membrana M, e le proteine di membrana E (proteina minore, pentamero) ed S (proteina maggiore, ‘spike’, trimero). Da Expasy, Viral Zone (https://viralzone.expasy.org/). La particella virale (virione) è costituita da un genoma a RNA (tipico per molti virus), complessato a proteine virali a formare il nucleocapside, racchiuso da una membrana di derivazione delle cellule infettate, ma modificata per inserimento di proteine virus-specifiche. Il genoma di SARS-CoV-2 è lungo circa 30000 basi – una lunghezza comune ai virus della famiglia e fra i più grandi per i virus a RNA. Il genoma è in grado di codificare per sei proteine principali: una proteina è un enzima, RNA replicasi, che non fa parte del virione ma promuove la replicazione del genoma virale nella cellula infettata; le altre sono proteine che concorrono alla formazione della particella virale completa e infettante: proteina S (spike), E (envelope), M (membrane), N (nucleocapsid). Sono inoltre codificate altre proteine minori che possono giocare un ruolo rilevante nella capacità del virus di replicarsi e causare patologia.

Figura 2. Cartone rappresentativo del genoma di SARS-CoV-2, degli mRNA e delle sue proteine. Le proteine pp1a e pp1ab sono proteine precursori, che vengono successivamente frammentate in proteine più piccole, ognuna con diversa funzione nella replicazione del virus e interazione con la cellula ospite. In particolare, la RdRp è l’enzima che consente la replicazione del genoma virale. Le altre proteine vengono già prodotte nella loro forma finale, e in aggiunta alle proteine maggiori sono presenti alcune proteine accessorie (3a, 6, 7a/b, 8, 9b, 14), anch’esse importanti nella patogenesi dell’infezione. Da Expasy, Viral Zone (https://viralzone.expasy.org/)
Una particolare attenzione è stata dedicata alla proteina S, che è presente sull’involucro del virus, conferendo al virus la morfologia tipica che ha dato il nome alla famiglia, e che è responsabile della interazione con i recettori presenti sulle cellule umane, evento inziale del ciclo replicativo dei virus. Variazioni nella sequenza degli aminoacidi costituivi e nella struttura tridimensionale della proteina possono provocare variazioni significative nella trasmissibilità del virus, sia per quanto riguarda l’evento originale di adattamento da un ospite animale, sia per quanto riguarda la trasmissione interumana. Il SARS-CoV-2 è classificato nella sottofamiglia Betacoronavirus, assieme ad altri virus già noti per l’uomo, come i virus respiratori OC43 e HKU1. Rispetto agli altri coronavirus emergenti trasmessi da animali, la somiglianza genetica è del 50% con il virus MERS e del 79% con il virus SARS-CoV. SARS-CoV (responsabile della SARS nel 2002) e SARS-CoV-2 (responsabile di COVID-19) fanno parte di due linee affini ma distinte di virus, assieme a molti altri virus identificati in ospiti animali, prevalentemente pipistrelli (SARSr-CoV, SARS-related coronavirus). Per quanto affini e verosimilmente emersi da un vasto serbatoio animale, la loro identità genetica è nettamente distinta dagli altri virus noti e in seguito all’adattamento all’uomo hanno dato origine a linee evolutive indipendenti e nettamente distinte.

 

I virus più simili a SARS-CoV-2, così come al precedente SARS-CoV, si ritrovano isolati da pipistrelli, come emerso da indagini condotte nelle stesse regioni della Cina che hanno visto l’insorgenza della pandemia. Questi virus animali dimostrano una identità genetica >90%, e in alcuni casi i valori nei confronti del SARS-CoV-2 sono molto elevati, fino al 97%. Tuttavia, simili distanze genetiche possono corrispondere a decenni di evoluzione, quindi i risultati suggeriscono piuttosto l’esistenza di un serbatoio virale nei pipistrelli, piuttosto che l’identificazione di un antenato diretto dei virus attualmente in circolazione. Un altro animale da cui sono stati isolati virus simili a quello umano è il pangolino, anche in questo caso da indagini condotte in Cina nelle zone di insorgenza della pandemia. I virus isolati da pangolino tendono a raggrupparsi fra loro come identità genetica, e sono più distanti dal virus umano rispetto a quelli isolati da pipistrelli. È interessante che ci siano mutazioni convergenti sulla proteina S, implicate nel riconoscimento del recettore cellulare, molto simili fra i virus del pangolino e il SARS-CoV-2, ma il fatto non implica che i virus umani derivino da quelli del pangolino. Il pangolino probabilmente rappresenta un ulteriore ospite colonizzato da coronavirus di possibile origine esogena. In conclusione, è ragionevole attribuire la fuoriuscita dei coronavirus da un serbatoio costituito dai pipistrelli, mentre rimane da investigare il fatto se sia stato necessario un ospite intermedio fra il serbatoio iniziale e l’uomo, e se nel caso quale. Al momento, i dati genetici a disposizione non consentono di formulare ipotesi verificabili in questo ambito. I dati molecolari di sequenza dei diversi isolati di SARS-CoV-2 si accumulano velocemente, in parallelo alla diffusione del virus e alla sua identificazione nei laboratori di tutto il mondo. La maggior parte delle sequenze diventano di dominio pubblico e sono disponibili in database consultabili online via web, fonte di dati per analisi di tipo filogenetico e evoluzionistico. Infatti, strumenti informatici consentono di confrontare fra loro le sequenze ottenute, identificando le mutazioni intervenute, e quindi di raggruppare le diverse sequenza sulla base della similarità, formulando così ipotesi sulla diffusione geografica e temporale del virus, e sulla sua evoluzione. Alcune mutazioni sono presenti solo in uno o pochi isolati, altre sono più rappresentate e possono servire da marcatori per identificare dei lignaggi evolutivi, cosiddetti cladi. Alcune di queste mutazioni hanno anche un ruolo funzionale riconosciuto, per esempio una mutazione molto diffusa è nella proteina S (mutazione D614G), che conferisce una maggiore trasmissibilità del virus e ha soppiantato la variante originale grazie al vantaggio selettivo conferito.

Figura 3. Epidemiologia molecolare di SARS-CoV-2. Ogni punto rappresenta un isolato virale, dai diversi continenti secondo codice colore. La distanza dal centro rappresenta l’accumulo di mutazioni nel genoma, i genomi sono raggruppati per similarità nelle diverse branche radiali. Da Nextstrain-GISAID (https://nextstrain.org/ncov/).

Figura 4. Distribuzione della diversità genica fra diversi isolati relativamente al genoma di SARS-CoV-2 (differenze in aminoacidi). Maggiore l’altezza delle barre, maggiore la diversità.La diversità è concentrata in poche posizioni, di particolare rilevanza la variabilità rintracciata nella Porzione che codifica per la proteina S.

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