ARN polimeraza: „fotocopiatorul neglijent” al SARS-COV-2

După cum am văzut înainte, când apare o infecție virală, virusul intră în celula gazdă, inițial încărcându0se printr-un receptor viral (în cazul SARS-CoV-2, aceasta este proteina Spike) ce se agață de o proteină a celulei țintă (în cazul SARS-CoV-2, aceasta este enzima ACE2). Odată ajuns în partea fluidă a celulei, numită citozol, virusul se „desface” eliberându-și conținutul: un amestec de proteine și material genetic. În timp ce informația genetică, adică ceea ce este necesar pentru construirea compușilor celulei, este stocată în moleculele ADN ale oamenilor, Coronavirusul utilizează o singură moleculă ARN. Și oamenii au ARN în celulele lor, dar o utilizează în alte scopuri, în principal pentru a construi proteine.

De îndată ce coronavirusul infectează o celulă, scopul acestuia este să se asigure că se formează noi copii ale virusului, pentru a avea urmași care să-i perpetueze specia. Din acest motiv, tot ce era prezent în virusul ce infectase celula trebuie „copiat” și asamblat pentru a alcătui noi virioni, inclusiv noi exemplare de material genetic (=ARN) al virusului însuși. Mașinăria esențială de sintetizare a noului ARN se găsește, în diferite forme, în toate organismele și se numește ARN polimerază, mot-a-mot: „enzimă ce formează lanțuri lungi de ARN”. ARN polimeraza SARS-CoV-2 se numește RdRP (ARN polimerază-ARN dependentă), copiind în mod esențial materialul genetic al virusului.

În ciuda faptului că efectuează un proces sofisticat și crucial, mașinăria (sau operatorul) este într-o anumită măsură „neglijentă”: de fapt, de fiecare dată când copiază materialul genetic original, face greșeli, iar copia are diferențe comparativ cu originalul. Aceste diferențe sunt așa-numitele mutații, ce afectează structura proteinelor virale și funcționarea acestora. Recent am auzit despre varianta G614 (sau, mai bine, D614G) a virusului: ce s-a întâmplat: ARN polimeraza a fost „neatentă” în timp ce făcea o copie a genomului viral și a schimbat o bază (o „cărămidă”) de ARN. Aceasta a provocat o mutație a proteinei Spikeîn poziția 614, care nu este un punct de contact direct cu enzima ACE2, așadar efectul acesteia asupra structurii și funcționării va trebui evaluate experimental pentru a înțelege consecințele acestei mutații. În orice caz, aceste mutații au consecințe asupra virusului, ceea ce înseamnă că pot fi neutre, avantajoase sau dezavantajoase. Un virus mutant va începe să circule dacă această mutație îi oferă un avantaj pentru ciclul vieții: acest lucru poate însemna că poate fi mai eficient în infectarea celulelor umane, de exemplu, dar că provoacă mai puține daune organismului gazdă, deoarece ca virus letal este menit să dispară din cauza lipsei țintelor.

Enzima RdRP sintetizează o copie a materialului genetic al virusului, o moleculă ARN alcătuită din patru baze diferite de azot. Enzima determină copierea unei catene ARN și unitățile moleculare individuale (nucleotide) complementare acesteia apar pe rând, în funcție de perechile A:U și G:C (în figură, dreptunghiurile de diferite culori formează perechi între galben și albastru și între roșu și verde). Uneori RdRP  potrivește greșit aceste cărămizi și acest lucru duce la o mutație a „urmașilor” virali. Dacă mutația este benefică supraviețuirii, va fi menținută.

Să revenim la funcția primară a ARN polimerazei, adică copierea materialului genetic al SARS-CoV-2. Acesta este un pas crucial pentru formarea unui nou virus și, din acest motiv, dacă am putea bloca acțiunea RdRP în celulele infectate... aveți dreptate, reproducerea virusului ar înceta. Moleculele capabile să inhibe ARN polimeraza sunt antivirale excelente! Molecula de Remdesivir , creată pentru a inhiba ARN polimeraza virusului Ebola dar capabilă să blocheze și polimerazele altor virusuri, este un exemplu excelent de antiviral ce țintește către RdRP. În mod similar cu ce s-a descoperit referitor la principala protează Mpro a SARS-CoV-2, biologia structurală ne poate spune cum poate Remdesivir bloca mașinăria și, cel mai important, sugerează cum să îmbunătățim molecula pentru a ne asigura că se poate obține un antiviral foarte specific pentru coronavirus. Cercetătorii din cadrul Academiei Chineze a Științelor au stabilit, cu ajutorul microscopiei crio-electronice, structura RdRP, fotografiind-o în mijlocul activității sale de reproducere.

Structura RdRP a SARS-CoV-2, compusă din trei subunități proteice ce alcătuiesc un heterotrimer activ, capturată cu ajutorul crio-EM în procesul de replicare ARN, vizibilă în partea stângă. Centrul mașinăriei RdRP este evidențiat în partea dreaptă, unde forma activă a medicamentului Remdesivir este prezentată cu verde, fiind inclusă în copia materialului genetic al virusului. Prin adăugarea medicamentului la copia ARN se împiedică o copiere completă a materialului genetic și micile detalii ale mecanismului sunt încă supuse dezbaterii. Prin amabilitatea Dr. Degano.

Această structură a arătat că Remdesivir acționează într-un mod foarte deosebit, nu atât prin blocarea RdRP, ci inserându-se într-o copie creată a ARN-ului și acționând acolo ca un semnal „stop”, împiedicând continuarea activității ARN polimerazei. Și mai interesant, structura a demonstrat că punctul în care Remdesivir leagă RdRP înainte să fie inclusă în ARN are caracteristici foarte specifice ce pot fi utilizate de către chimiști pentru a sintetiza o moleculă antivirală și mai eficientă. Două structuri suplimentare determinate de alte grupuri în condiții diferite au oferit alte informații despre mecanismul de acțiune al antiviralului și despre cum putem dezvolta produse mai bune. În prezent există deja un compus numit EIDD-2801 care este de 10 ori mai puternic decât Remdesivir în blocarea replicării SARS-CoV-2 în celula de cultură. Mai este mult până când va fi disponibil un medicament dar, datorită biologiei structurale, înaintăm cu pași mari în această direcție.