Katarzyna Kuczyńska, Jolanta B. Zawilska, Julia Badura, Bartłomiej Strehl
Wirus SARS-CoV-2: pochodzenie, budowa i cykl replikacyjny
2021-04-08
W grudniu 2019 r. u pacjentów z zakaźną chorobą układu oddechowego w Wuhan, w chińskiej prowincji Hubei, odkryto nowy wysoce patogenny koronawirus SARS-CoV-2, który może przenosić się z człowieka na człowieka. Choroba, obecnie nazywana chorobą koronawirusową 2019 (COVID-19), szybko rozprzestrzeniła się na cały świat, wywołując pandemię. W pracy przedstawiono podstawowe informacje na temat budowy i cyklu replikacyjnego SARS-CoV-2. Fundamentalne odkrycia z zakresu genetyki i biologii molekularnej wirusa utorowały drogę do intensywnych i szeroko rozwiniętych badań nad szczepionkami przeciwko SARS-CoV-2 oraz farmakoterapią COVID-19. SARS-CoV-2 należy do linii β-koronawirusów 2B. Porównanie sekwencji genomu SARS-CoV-2 i innych dostępnych genomów β-koronawirusów sugeruje, że mógł on naturalnie wyewoluować ze szczepu wirusa RaTG13 przenoszonego przez nietoperze. Genom SARS-CoV-2 tworzy jednoniciowy RNA, który ze względu na dodatnią polarność jest RNA informacyjnym. Genomowy RNA wirusa składa się z 14 otwartych ramek odczytu (ORF). Koduje on syntezę 4 głównych białek strukturalnych (nukleokapsydu – N, błony – M, osłonki – E i glikoproteiny S w kształcie kolców), 16 białek niestrukturalnych oraz 7 białek pomocniczych. W procesie wnikania wirionu do komórki kluczową rolę odgrywa białko S, które wiąże się z receptorem – konwertazą angiotensyny 2 (ACE2) na powierzchni komórki. Po wniknięciu wirusa do wnętrza komórki i uwolnieniu materiału genetycznego dochodzi do syntezy białek wirusowych niezbędnych do dalszego procesu replikacji i translacji. Uformowane dojrzałe cząstki wirusowe są przenoszone w pęcherzykach Golgiego w pobliże błony komórkowej i uwalniane na zewnątrz w procesie egzocytozy. Wraz z rozprzestrzenianiem się pandemii COVID-19 pojawiają się nowe warianty wirusa SARS-CoV-2. Mutacje stwierdzono głównie w odcinkach genomu kodujących białka kolców i nukleokapsydu, białka niestrukturalne Nsp2, Nsp3, Nsp5, Nsp6, Nsp7, Nsp12, Nsp13 oraz pomocnicze Orf3 i Orf8. Mutacje SARS-CoV-2 mogą wpływać nie tylko na budowę białek, cykl replikacyjny wirionu, jego zakaźność, cytotoksyczność i immunogenność, ale także prowadzić do fałszywie ujemnych wyników badań diagnostycznych oraz zmniejszenia skuteczności działania szczepionek i rozwoju lekooporności.
Słowa kluczowe: COVID-19, SARS-CoV-2, konwertaza angiotensyny typu 2, genom, proteom, białko S, mutacje.
© Farm Pol, 2021, 77 (3): 143–149
SARS-CoV-2 virus: origin, structure and replication cycle
In December 2019, a novel highly pathogenic coronavirus SARS-CoV-2, which can be transmitted from person to person, was discovered in patients with infectious respiratory disease in Wuhan, Hubei Province, China. The disease, now known as the 2019 coronavirus disease (COVID‑19), has spread rapidly around the world causing a pandemic. This survey presents basic information on the structure and replication cycle of SARS-CoV-2. Fundamental discoveries in genetics and molecular biology of the virus paved the way to design and development of molecules that would act as potential therapeutic agents for COVID-19. The virus belongs to the β-coronavirus 2B lineage. Comparison of the SARS-CoV-2 genome sequence and other available β-coronavirus genomes suggests that it may have evolved naturally from the RaTG13 bat strain of coronaviruses. The virus has a positive-sense single-stranded RNA that acts as mRNA following cellular entry and is completely dependent on the translation machinery of the host cell. The genomic RNA of SARS-CoV-2 comprises 14 open reading frames (ORFs). Two main ORFs, ORF1a and ORF1b, encompass two‑thirds of the genome and are translated to polyproteins pp1a and pp1ab, respectively. These polyproteins are processed by viral proteases (papain-like protease and chymotrypsin-like protease), to produce 16 nonstructural proteins (Nsp). The remaining one-third of the genome encodes four major structural proteins: spike (S), membrane (M), envelope (E) and nucleocapsid (N), and seven accessory proteins. SARS‑CoV‑2 infects human cells by binding to its receptor, i.e. angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) at the cell surface through the receptor binding domain of its S protein. Following the entry into the host cell, the genetic material is released into the cytoplasm, and the synthesis of viral proteins necessary for the further process of replication and translation takes place. After mature virus particles are formed, they travel in Golgi vesicles to the host cell membrane where they are released into extracellular space by exocytosis. With the continued spread of SARS-CoV-2 around the world, thousands of mutations have been identified, some of which have relatively high incidences. The following proteins exhibited the highest mutation density: N, S, Nsp2, Nsp3, Nsp5, Nsp6, Nsp7, Nsp12, Nsp13, Orf3 and Orf8. The changes in SARS-CoV-2 proteins caused by mutations can not only affect virus transmission, pathogenesis, and immunogenicity, but also give rise to false negative diagnoses and drug resistance.
Keywords: COVID-19, SARS-CoV-2, angiotensin-converting enzyme 2, genome, proteome, S protein, mutations.
© Farm Pol, 2021, 77 (3): 143–149