Biologia delle varianti SARS-CoV-2: fuga immunitaria, trasmissione e forma fisica

Alla fine del 2020, dopo aver circolato per quasi un anno nella popolazione umana, la sindrome respiratoria acuta grave coronavirus 2 (SARS-CoV-2) ha mostrato un importante cambiamento nel suo adattamento agli esseri umani. Queste forme altamente mutate di SARS-CoV-2 presentavano tassi di trasmissione più elevati rispetto alle varianti precedenti e venivano denominate "varianti preoccupanti" (VOC). Designati Alpha, Beta, Gamma, Delta e Omicron, i COV sono emersi indipendentemente l'uno dall'altro e, a loro volta, ciascuno è diventato rapidamente dominante, a livello regionale o globale, superando le varianti precedenti. Il successo di ciascun COV rispetto alla variante precedentemente dominante è stato reso possibile dalle proprietà funzionali intrinseche alterate del virus e, a vari livelli, dai cambiamenti nell’antigenicità del virus che conferiscono la capacità di eludere una risposta immunitaria innescata. L’aumento della forma virale associata ai COV è il risultato di una complessa interazione della biologia virale nel contesto del cambiamento dell’immunità umana dovuto sia alla vaccinazione che all’infezione precedente. In questa recensione, riassumiamo la letteratura sulla trasmissibilità relativa e l'antigenicità delle varianti SARS-CoV-2, il ruolo delle mutazioni nel sito di clivaggio del picco di furina e delle proteine ​​non-spike, la potenziale importanza della ricombinazione per il successo del virus e l'evoluzione del SARS CoV-2 nel contesto delle cellule T, dell'immunità innata e dell'immunità della popolazione. SARS-CoV-2 mostra una relazione complicata tra antigenicità, trasmissione e virulenza del virus, che ha implicazioni imprevedibili per il ftraiettoria futura e carico di malattia del COVID-19.

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introduzione

Dalla sua comparsa iniziale a Wuhan nel dicembre 2019, la sindrome respiratoria acuta grave coronavirus 2 (SARS-CoV-2) ha causato più di 641 milioni di casi di COVID-19 e più di 6,6 milioni di decessi a dicembre 2022 (rif. 1 ). SARS-CoV-2 (insieme a SARS-CoV, la causa della SARS) è un membro della specie coronavirus correlato alla sindrome respiratoria acuta grave, l'unico membro di un sottogenere di virus, Sarbecovirus, riscontrato principalmente nei pipistrelli ferro di cavallo2 . Come altri coronavirus, il SARS-CoV-2 possiede un grande genoma di RNA, comprendente ~30,000 nucleotidi, la cui replicazione è mediata dalla RNA polimerasi RNA-dipendente (RdRP) e da un enzima di correzione associato esoribonucleasi (ExoN ). Ciò, combinato con la natura discontinua della trascrizione del coronavirus, ha portato a coronavirus con tassi elevati di ricombinazione, inserzioni, delezioni e mutazioni puntiformi (sebbene i tassi siano inferiori rispetto ad altri virus a RNA a causa della correzione di bozze), come precedentemente esaminato3. Il successo delle nuove varianti genetiche generate, sebbene incline a processi di campionamento stocastico, dipenderà molto dalla selezione naturale; in particolare, la selezione positiva è associata a mutazioni benefiche per il virus in cui si verificano. Il SARS-CoV-2 ha dimostrato di essere un patogeno umano altamente efficace, ma anche un agente generalista in termini di tropismo dell'ospite, stabilendo infezioni in una varietà di specie di mammiferi, comprese le infezioni nei visoni d'allevamento4, un serbatoio stabile nei visoni dalla coda bianca cervi5,6 e infezioni accidentali di molte altre specie animali7. Una volta che il SARS-CoV-2 si è diffuso negli esseri umani, i primi mesi dell'evoluzione del SARS-CoV-2 sono stati caratterizzati da un adattamento limitato e da un cambiamento fenotipico rispetto alla sua evoluzione successiva8. Il primo cambiamento degno di nota, una sostituzione a singolo picco (D614G), si è verificata all’inizio della pandemia e ha conferito un vantaggio di crescita di circa il 20% rispetto alle varianti precedenti9. Un lignaggio definito da D614G (PANGO lineage10 B.1) è diventato rapidamente dominante in Europa, fornendo una prima indicazione del potenziale di SARS-CoV-2 di aumentare la sua trasmissibilità negli esseri umani. Come descritto in precedenza3,11, dall'ottobre 2020 in poi hanno iniziato a emergere nuove varianti SARS-CoV-2 con mutazioni più gravi. Queste varianti erano caratterizzate da un numero più elevato di mutazioni non sinonime, principalmente nella proteina spike – in particolare nel caso di Omicron – e da proprietà fenotipiche distinte, tra cui alterata trasmissibilità e antigenicità. Ad oggi, cinque varianti di SARS-CoV-2 sono state dichiarate varianti problematiche (COV) dall'Organizzazione Mondiale della Sanità (e dalle agenzie nazionali di sanità pubblica) sulla base del fatto che presentano una trasmissibilità sostanzialmente alterata o una fuga immunitaria, garantendo un attento monitoraggio . Ciascun VOC ha mostrato vantaggi di trasmissione rispetto alle varianti precedenti ed è diventato dominante, a livello regionale nei casi di Alpha (lignaggio PANGO10 B.1.1.7), Beta (B.1.351) e Gamma (P.1) - in Europa, Africa meridionale, e del Sud America, rispettivamente - o globalmente, nel caso dei sottolignaggi Delta (sottolignaggi B.1.617.2/AY) e dei numerosi sottolignaggi Omicron (sottolignaggi B.1.1.529/BA, come BA.1, BA.2 e BA .5).

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Contrariamente all'aspettativa che i virus subiscano un rapido adattamento dell'ospite in seguito allo spillover12,13, l'analisi della selezione indica che SARS-CoV-2 mancava di livelli notevoli di adattamento osservabili all'inizio della pandemia14. Successivamente è diventato chiaro che SARS-CoV-2 è un virus generalista in grado di utilizzare una varietà di proteine ​​di membrana dell'enzima 2 di conversione dell'angiotensina 2 (ACE2) dei mammiferi per l'ingresso cellulare15, consentendo l'infezione di un'ampia gamma di mammiferi14,16. I sarbecovirus vengono trasmessi frequentemente tra diverse specie di pipistrelli ferro di cavallo17 e specie non pipistrelli con capacità di legame ACE2-(il tratto ancestrale dedotto nei sarbecovirus18), che sembra includere gli esseri umani. La proteina picco SARS CoV-2 contiene importanti proprietà responsabili e necessarie per un'efficiente trasmissione da uomo a uomo, in particolare: il legame ACE2 umano e il sito di scissione polibasico della furina (FCS) alla giunzione S1-S219,20 . Attualmente la FCS SARS-CoV-2 S1–S2 è unica tra gli arbovirus, sebbene sequenze analoghe siano osservate in altri betacoronavirus. L'ingresso del SARS-CoV-2 nelle cellule delle vie aeree richiede la scissione mediata dalla furina a livello della FCS, consentendo la fusione della membrana. La FCS è quindi un fattore determinante degli elevati tassi di trasmissione della SARS-CoV-2, contribuendo alla sua efficiente diffusione nell'uomo. Un'ulteriore ottimizzazione della FCS wild-type durante il corso della pandemia ha portato a una maggiore scissione della furina delle proteine ​​​​spike Alpha e Delta22–25. Insieme ad altre mutazioni, in particolare quelle che migliorano il legame con ACE226,27, si ritiene che le mutazioni che ottimizzano la scissione della furina abbiano contribuito a una migliore trasmissibilità, e quindi alla forma fisica, dei COV alfa e delta, con una trasmissibilità relativa maggiore del 65% e del 55% rispetto al varianti che hanno sostituito, rispettivamente28-30. A differenza di Alpha e Delta, il successo evolutivo della variante Omicron non è legato all’ottimizzazione della scissione della furina. Piuttosto, Omicron è caratterizzato da un fenotipo di ingresso alterato31,32, abbinato a una significativa fuga immunitaria31,33,34, che consente un'infezione efficiente di individui vaccinati o precedentemente infetti. Sebbene la trasmissibilità in una popolazione naive sia in gran parte determinata dalle proprietà virali intrinseche, il panorama immunitario sempre più complesso in cui circola attualmente il SARS-CoV-2 implica che la fuga degli anticorpi (invece che la trasmissibilità è potenziata dalla sola biologia del virus, un tratto che potrebbe essere difficile da ottimizzare ulteriormente rispetto a quanto ottenuto da Omicron) sta diventando il principale motore del successo della variante. Prima della comparsa di Omicron (Riquadro 1), ciascuna delle varianti dominanti si era evoluta da progenitori pre-VOC, anziché evolversi l'una dall'altra. Al contrario, le ondate successive vengono ora causate dai sottolignaggi Omicron (ad esempio, BA.5, uno dei suoi sottolignaggi BQ.1, e BA.2.75, un sottolignaggio di BA.2). Da notare che è possibile che emerga una variante non rilevata, potenzialmente ricombinante (Riquadro 2), con elevata trasmissibilità legata alla biologia intrinseca e a nuove proprietà antigeniche. Sia che emerga una variante completamente nuova, sia che i futuri virus si evolvano dalle sottolinee Omicron con nuovi cambiamenti antigenici (sempre più probabili poiché i precedenti COV non circolano più), è chiaro che le nuove varianti SARS-CoV-2 che possiedono combinazioni uniche di mutazioni continueranno ad emergere e quelli con un vantaggio in termini di forma fisica domineranno rispetto alle varianti precedenti. Ad oggi, le varianti di successo hanno anche mostrato variazioni nei tratti clinicamente rilevanti, tra cui la gravità della malattia, l’evasione immunitaria e la sensibilità alle terapie (in particolare anticorpi monoclonali). È quindi di importanza clinica e di salute pubblica comprendere i fattori determinanti dell'idoneità alla SARS-CoV-2. L’idoneità della variante – il successo riproduttivo di un virus – dipende da una varietà di fattori che determinano la sua capacità di infettare, replicarsi all’interno e diffondersi tra gli ospiti. In questa recensione, forniamo una panoramica delle mutazioni osservate che sono descritte come un impatto sull'infettività e sulla trasmissibilità della SARS-CoV-2 e discutiamo la capacità virale di sfuggire all'immunità mediata dalle cellule T, innata o umorale11. Vedi la nostra recensione precedente11 per maggiori dettagli sull'immunità umorale mediata dai picchi.

Fuga antigenica e varianti SARS-CoV-2

Una delle prime preoccupazioni riguardanti l'evoluzione della SARS-CoV-2 era la potenziale comparsa di varianti antigenicamente distinte con la capacità di eludere l'immunità acquisita tramite vaccino o infezione, come esemplificato dalla sostituzione dello spike N439K35. Prima del loro aggiornamento alla fine del 2022, tutti i vaccini COVID-19 ampiamente utilizzati erano basati sull'antigene spike delle varianti precoci, la maggior parte utilizzando la sequenza di riferimento Wuhan-Hu-1, campionata da un'infezione del lignaggio B presso l'Huanan Seafood Market, spesso con mutazioni che stabilizzano la proteina spike in una conformazione prefusion36. Sebbene sia stato riportato un limitato cambiamento antigenico per Alpha25,37,38, negli esperimenti di laboratorio è stata osservata una fuga moderata dagli anticorpi derivati ​​dal vaccino e dai sieri convalescenti per Beta, Gamma e Delta23,37–39. Ciononostante, gli studi epidemiologici hanno fornito prove che l’efficacia del vaccino contro Delta e Beta era in gran parte preservata40-42. Pertanto, nonostante una progettazione basata su una sequenza di picchi molto precoce, i vaccini SARS CoV-2 di prima generazione hanno conferito una notevole protezione contro malattie gravi e hanno permesso a gran parte del mondo di tornare a una parvenza di normalità.

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Riquadro 1

L'origine delle varianti preoccupanti della SARS-CoV-2 e del complesso Omicron

Le varianti preoccupanti (COV) della sindrome respiratoria acuta grave del coronavirus 2 (SARS-CoV-2) mostrano una serie di proprietà distinte, una delle più intriganti è la lunghezza del ramo filogenetico relativamente lunga, spesso con una mancanza di intermedi genetici prima della loro rilevamento67.193.194. Alpha è stato rilevato per la prima volta nel Regno Unito durante un periodo di bassa circolazione del virus e di sorveglianza SARS-CoV-2 senza precedenti67,131. Delta è stato identificato per la prima volta in India nell'aprile 2021 (rif. 195) e poi è stato associato a una nuova ondata epidemica nel Regno Unito196, generando diverse sottolinee, alcune delle quali erano ancora più trasmissibili del Delta parentale, ad esempio AY.4.2 (rif. .197). Allo stesso modo, il complesso di varianti Omicron ha un ramo lungo e ancora più mutazioni rispetto ai COV precedenti43,44. La mancanza di sequenze intermedie ha portato a diverse ipotesi sull'origine dei COV198: (1) circolazione in regioni geograficamente sottocampionate; (2) circolazione criptica all'interno di un serbatoio animale a seguito di una zoonosi inversa di una variante precoce; (3) evoluzione all'interno di un'infezione cronica in un ospite immunosoppresso o in più ospiti umani. Sebbene esistano prove della creazione di serbatoi animali stabili per SARS-CoV-2, in particolare nei visoni d'allevamento e nei cervi dalla coda bianca4,5,186, attualmente l'ipotesi dell'infezione cronica dell'emergenza di varianti è la meglio supportata tra queste scenari67.183. È noto che le infezioni croniche determinano profili mutazionali molto simili a quelli dei COV113,184,199–201. Esistono anche prove di una trasmissione limitata di infezioni croniche che causano epidemie localizzate113,182. L’evoluzione a lungo termine in presenza di una costante pressione anticorpale subneutralizzante potrebbe spiegare la distanza antigenica dei COV, in particolare per Omicron. A differenza di altri COV, Omicron ha sviluppato una notevole diversità prima di essere rilevato per la prima volta ed è attualmente diviso in cinque linee principali (BA.1, BA.2, BA.3, BA.4 e BA.5 (rif. 43); vedere la figura), con la rilevazione di molti altri sottolignaggi che stanno accumulando ulteriori cambiamenti antigenici157. BA.1 ha causato un’ondata di infezione globale alla fine del 2021, ma all’inizio del 2022 è stato sostituito da BA.2. Nell’aprile 2022 sono state riconosciute ulteriori sottolinee BA, BA.4 e BA.5, e, a partire da settembre 2022, BA.5 ha guidato una nuova ondata di Omicron a livello internazionale43. I lignaggi Omicron mostrano una complessa relazione tra loro, che probabilmente includeva più eventi di ricombinazione intra-COV prima del rilevamento43,44. Ad esempio, BA.4 e BA.5 contengono estremità 5 'quasi identiche del genoma fino al gene M, ma mostrano un'ampia divergenza dopo questo punto, suggerendo un recente evento di ricombinazione. Allo stesso modo, BA.3 potrebbe plausibilmente essere la progenie ricombinante dei virus ancestrali BA.1 e BA.244. Nella figura sono mostrate le ipotetiche origini filogenetiche del complesso Omicron che mostrano un potenziale modello di ricombinazione tra i sottolignaggi BA.1, BA.2, BA.3, BA.4 e BA.5. I nomi delle proteine ​​indicano potenziali breakpoint approssimativi (~).

Il “complesso” Omicron – che comprende i distinti sottolignaggi BA.1, BA.2, BA.3, BA.4 e BA.5 (riquadro 1) – è in grado di infettare i vaccinati e quelli precedentemente infetti, provocando il rischio di selezione della sequenza vaccinale e vaccini universali in primo piano nelle discussioni sulla strategia di controllo della SARS-CoV-2. Con più di 15 mutazioni nel dominio di legame del recettore dello spike (RBD) e una serie di delezioni e sostituzioni antigeniche nel dominio aminoterminale (NTD)43,44, BA.1, BA.2, BA.4 e BA.5 sono molto scarsamente neutralizzato con i vaccini di prima generazione e con gli anticorpi derivati ​​dall’infezione pre-Omicron (Fig. 1). Inoltre, è stata dimostrata la fuga dalla stragrande maggioranza degli attuali anticorpi monoclonali terapeutici; al momento, è stato segnalato che solo il bebtelovimab, un anticorpo monoclonale mirato all'RBD della proteina spike, mantiene la sua efficacia contro tutte le varianti SARS-CoV-231,33,34,38,45–50. Questo ampio "spostamento" antigenico ha portato alcuni a proporre che le linee Omicron debbano essere considerate un ceppo o sierotipo separato rispetto alle linee pre-Omicron51,52. È importante sottolineare che l’entità di questo cambiamento antigenico si riflette nei dati sull’efficacia dei vaccini nel mondo reale contro le infezioni e le malattie sintomatiche41,53-57. Sono necessarie dosi di richiamo per mantenere l'efficacia del vaccino contro Omicron, che si riduce con la diminuzione dei titoli anticorpali41,55. In effetti, l’efficacia del vaccino contro la malattia grave causata da Omicron è rimasta elevata 4 mesi dopo una dose di richiamo e poi è diminuita rapidamente, sebbene la riduzione sia stata meno rapida di quella osservata dopo la vaccinazione primaria58. A causa della breve durata dell’immunità protettiva contro l’infezione da Omicron con i vaccini attuali, molti produttori di vaccini e accademici si stanno concentrando su vaccini di seconda generazione, come i richiami monovalenti o bivalenti specifici di Omicron59 (che sono attualmente in fase di implementazione), la somministrazione di vaccini nasali a stimolare una maggiore immunità delle mucose60 o approcci vaccinali universali61. In comune con i coronavirus umani stagionali, la misura in cui l’immunità acquisita a lungo termine può prevenire la reinfezione da SARS-CoV-2 è limitata a causa di una combinazione di diminuzione degli anticorpi e deriva antigenica del virus – l’acquisizione incrementale di mutazioni che consentono l’immunità evasione62,63. Oltre ai cambiamenti graduali nell'antigenicità, l'evoluzione del virus durante le infezioni persistenti ha consentito alla SARS-CoV-2 di accumulare più mutazioni nel contesto di una singola o di poche infezioni a lungo termine, contribuendo a eventi di spostamento antigenico quando queste varianti scompaiono continuare a infettare gli altri (Riquadro 1).

Riquadro 2

Ricombinanti SARS-CoV-2

Quando due virus a RNA coinfettano la stessa cellula all'interno di un individuo, c'è un'alta probabilità durante la replicazione del genoma che la polimerasi passi da un modello di sequenza genomica al genoma eterologo. Ciò si traduce in un virus ricombinante con parte del genoma di un "genitore" e la sequenza genomica rimanente dell'altro (vedere la figura, parte a). Diversi lignaggi ricombinanti sono stati identificati in diverse località e designati dal sistema di classificazione PANGO dal 2020 (rif. 10), identificabili dal prefisso di lignaggio "X-". I ricombinanti sono stati identificati in modo inequivocabile quando varianti geneticamente distinte, come due varianti preoccupanti, hanno co-circolato transitoriamente portando a coinfezioni. Ad esempio, il primo lignaggio ricombinante assegnato, XA, era un ricombinante tra Alpha (B.1.1.7) e il lignaggio precedentemente circolante nel Regno Unito, B.1.177 (rif. 202). XC era un ricombinante tra Alpha e Delta trovato in Giappone203. Dall’inizio del 2022, il numero di ricombinanti identificati è aumentato rapidamente, probabilmente a causa degli elevati livelli di co-circolazione tra Delta e BA.1, o BA.1 e BA.2, in molti paesi al momento della graduale eliminazione delle restrizioni relative al COVID-19. Un'altra spiegazione è una maggiore fiducia nell'identificazione dei ricombinanti, a causa della maggiore divergenza di sequenza tra i genomi di Delta, BA.1 e BA.2. Un esempio di ricombinante è XD, un ricombinante Delta × BA.1 trovato per la prima volta nel gennaio 2022 in Francia204. XD ha due punti di interruzione del genoma, con una spina dorsale e parte del dominio aminoterminale della proteina Spike di Delta e il resto della proteina Spike di BA.1 (vedere la figura, parte b). Funzionalmente, è stato dimostrato che XD ha un fenotipo di patogenicità intermedia tra BA.1 e Delta nei topi transgenici che esprimono l'enzima umano di conversione dell'angiotensina 2 (ACE2) sotto il controllo del promotore della cheratina 18, causando una moderata perdita di peso, suggerendo parte della differenza tra fenotipo di patogenicità dei roditori della mappa Delta e BA.1 all'esterno della proteina spike204. Un secondo ricombinante degno di nota nel Regno Unito è il XE ricombinante BA.1 × BA.2, rilevato per la prima volta in Inghilterra il 19 gennaio 2022. Prima di essere superato da BA.5, XE comprendeva più di 2.500 genomi, principalmente dal Regno Unito , e i dati preliminari suggeriscono un modesto aumento del tasso di crescita rispetto a BA.2 (rif. 205).

La FCS nell'emergenza della variante SARS-CoV-2

Rispetto ad altri arbovirus conosciuti, una caratteristica unica del SARS CoV-2 è la presenza di un FCS all'interno della sua proteina spike che può essere scissa dalla furina. Gli FCS sono tuttavia presenti in molti altri beta coronavirus dei sottogeneri Embecovirus e Merbecovirus, come il coronavirus umano OC43, il coronavirus umano HKU1 e il coronavirus della sindrome respiratoria del Medio Oriente (Fig. 2a). È stato dimostrato che l'FCS SARS-CoV-2 è vitale per la replicazione ottimale del virus nelle cellule delle vie aeree umane64, la trasmissibilità19,21 e la patogenicità65. La furina, una proteasi ospite, è più abbondante nell'apparato del Golgi, consentendo la scissione durante il traffico del virus verso la superficie cellulare66. Ora è chiaro, tuttavia, che la FCS delle prime varianti SARS-CoV-2 non era ottimale e non veniva scissa in modo efficiente dalla furina19,24,65. È interessante notare che uno dei ruoli descritti per la mutazione di sostituzione precoce, il picco D614G, era la scissione del picco leggermente migliorata (rivista in dettaglio in precedenza). Un certo numero di varianti successive di SARS-CoV-2 presentano mutazioni adiacenti alla FCS, che aumentano il numero di residui di aminoacidi basici – il noto sito di riconoscimento della furina; ad esempio, Alpha, Mu e Omicron contengono la mutazione FCS P681H44,67,68, che si prevede aumenti l'attività di clivaggio. Inoltre, una diversa mutazione nella stessa posizione, P681R, migliora la replicazione e la patogenicità del Delta VOC23,30,69 (Fig. 2b). Da notare che Omicron contiene P681H, così come l'ulteriore mutazione N679K44, che insieme danno luogo a una FCS19,23–25,32,70 ottimizzata. È importante sottolineare, tuttavia, che l’ottimizzazione del sito della furina da sola non migliora la trasmissibilità o la replicazione di SARS-CoV-2 e potrebbe essere dannosa per un’efficiente trasmissione del virus27, indicando che sono necessarie ulteriori mutazioni osservate in queste varianti per ottimizzare la replicazione e la trasmissibilità. L'esatto meccanismo attraverso il quale le mutazioni FCS osservate migliorano la scissione della furina rimane argomento di dibattito. Sebbene vi siano prove abbastanza evidenti che P681R migliori direttamente il coinvolgimento della furina e la scissione del sito S1-S219,24,69, la conseguenza funzionale di P681H71 è meno chiara. Meccanicamente, è probabilmente rilevante che la posizione T678 della proteina spike, situata vicino al residuo P681, possa essere modificata post-traduzionalmente con un sito di glicosilazione O-74. È noto che le proline a valle promuovono la glicosilazione legata all'O; pertanto, una spiegazione alternativa potrebbe essere che la rimozione di P681, piuttosto che l'aggiunta dell'istidina di per sé, porta alla perdita del sito di glicosilazione potenzialmente ostruente la furina e al relativo miglioramento della scissione. Recenti approfondimenti sulla biologia di Omicron hanno messo in discussione l’ipotesi secondo cui il miglioramento della scissione delle punte è essenziale per una maggiore trasmissione virale. Tutti i lignaggi Omicron contengono P681H e N679K43,44, che da soli o insieme migliorano la scissione del sito S1–S2 nella proteina spike wild-type 32,70. Tuttavia, nel contesto dell'intera proteina spike Omicron, l'evidenza di tale miglioramento della scissione è meno chiara, con alcuni studi che rilevano che la giunzione S1-S2 appare meno scissa rispetto ai precedenti COV50,75, mentre altri mostrano un'efficienza di scissione paragonabile a quella di Delta32,76,77. Indipendentemente dal fenotipo di scissione, molti gruppi hanno descritto come Omicron sia in grado di utilizzare in modo efficiente un percorso alternativo di ingresso cellulare. Infatti, mentre i precedenti COV come Delta dipendono fortemente dall’innesco della fusione da parte della proteasi transmembrana serina 2 (TMPRSS2) sulla superficie cellulare, Omicron è anche in grado di essere efficacemente innescato dalle proteasi endosomiali, come le catepsine, in modo simile alla SARS- CoV31,32,50,75,76,78,79. Si ipotizza che questo meccanismo alternativo sia in parte responsabile della ridotta gravità di Omicron, almeno nei modelli di roditori32,75,78,80,81, a causa della minore fusogenicità e del tropismo tissutale potenzialmente alterato, con una propensione verso l'infezione del tratto respiratorio superiore sopra le vie respiratorie inferiori. Diversi studi hanno suggerito meccanismi molecolari per questa ridotta fusogenicità e via di ingresso alterata, comprese mutazioni nel picco RBD di Omicron31,82, H655Y83 o mutazioni nel dominio S231,32,76, in particolare N969K32, sebbene sia controverso se questo tratto sia conservato in tutti i lignaggi Omicron32,84. Ciononostante, i lignaggi Omicron continuano a mostrare un'elevata trasmissibilità, almeno equivalente a quella di Delta85,86, il che implica un potenziale disaccoppiamento tra l'efficienza della scissione della furina e della fusogenicità e il loro contributo alla trasmissibilità del virus. Oltre al sito S1-S2, i betacoronavirus richiedono anche la scissione di un secondo sito di scissione della proteasi, noto come sito S2′. Dopo la scissione del sito S1-S2 e il legame con il recettore affine, il sito S2′ viene esposto nel dominio S2 della proteina spike87. La scissione di S2′ libera direttamente il peptide di fusione, portando alla fusione della membrana virus-ospite88-90. Per l'ingresso del SARS-CoV-2 nelle cellule delle vie aeree, questo sito viene tagliato preferenzialmente dalle serina proteasi dell'ospite, come TMPRSS2, ma in alternativa può essere tagliato dalle catepsine endoliosomiali19,91. Numerosi articoli recenti hanno suggerito che la variazione nell'NTD di SARS-CoV-2, in particolare attraverso il rimodellamento dei circuiti esterni attraverso l'acquisizione di delezioni o inserzioni, può influenzare allostericamente sia la scissione S1-S2 che la scissione S2′, e quindi fusione92-94. Nel complesso, la relazione tra utilizzo della proteasi, efficienza di scissione S1-S2, tropismo, patogenicità e trasmissibilità del SARS CoV-2 è molto complessa e, a volte, i risultati degli studi sono stati incoerenti. È quindi necessario ulteriore lavoro per colmare queste lacune nella conoscenza e comprendere appieno questo sistema.

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Altre proteine ​​strutturali e non strutturali e infettività

Diversi studi recenti hanno studiato le conseguenze delle mutazioni nelle proteine ​​strutturali diverse dalla proteina spike, comprese le proteine ​​di membrana (M), dell'involucro (E) e del nucleocapside (N). Il lignaggio B.1.1 è definito da una coppia di sostituzioni nella proteina N: R203K e G204R. Le varianti derivate da B.1.1 (come Alpha, Gamma e Omicron) hanno ereditato le stesse mutazioni, mentre Delta e Beta hanno evoluto indipendentemente R203M e T205I, rispettivamente, con proprietà funzionali convergenti. Nello specifico, è stato dimostrato che queste mutazioni aumentano l’infettività virale95-97, sebbene l’esatto meccanismo d’azione rimanga controverso. Da un lato, i dati di un test basato su reporter95 basato su particelle virus-simili hanno suggerito che queste mutazioni aumentano direttamente la formazione di particelle virali, mentre un altro rapporto ha suggerito un ruolo per la fosforilazione della proteina N consentendo la restrizione della fuga da parte della chinasi GSK3 (rif. 97 ). Una spiegazione alternativa è che le mutazioni R203K e G204R introducono un nuovo sito di regolazione trascrizionale al centro del gene N, consentendo l'espressione di una forma troncata della proteina N (denominata "N*" o "N.iORF3"), che potrebbe migliorare l’infettività del virus attraverso un maggiore antagonismo dell’interferone98,99. È interessante notare che ci sono diversi altri esempi di lignaggi SARS-CoV-2 che evolvono nuove sequenze di siti di regolazione trascrizionale che potrebbero comportare l'espressione di prodotti proteici troncati, sia nel frame che fuori frame, soprattutto nelle proteine ​​non strutturali 16 (NSP16)98.

Oltre alla proteina N, anche le mutazioni delle proteine ​​M ed E sono state implicate nella modulazione dell’infettività della SARS-CoV-2. È stato dimostrato che le sostituzioni nelle proteine ​​M ed E di BA.1 (Omicron) riducono l'ingresso nelle cellule di particelle simili a virus, sebbene queste mutazioni siano compensate da ulteriori sostituzioni nelle proteine ​​S e N100. Le proteine ​​del coronavirus E hanno diverse funzioni, una delle quali è quella di agire come un canale cationico, potenzialmente all’interno del reticolo endoplasmatico (ER) e dei compartimenti del Golgi, per regolare più fasi del ciclo di vita virale101. È stato dimostrato che la mutazione T9I riscontrata nella proteina Omicron E attenua l'attività di questo canale ionico in vitro102, sebbene le sue conseguenze funzionali non siano chiare. Sebbene ORF1ab costituisca due terzi del genoma SARS-CoV-2, rimane la regione in cui l'impatto delle mutazioni varianti è meno compreso. Un'eccezione è una delezione nelle posizioni 106–108 all'interno di NSP6, una mutazione conservata in tutti i COV tranne Delta. NSP6 è una proteina transmembrana multipass associata alla formazione dell’organello di replicazione del coronavirus – la struttura membranosa derivata dall’ER che viene prodotta durante l’infezione, fornendo un compartimento per la replicazione dell’RNA virale protetto dall’immunità innata103. Uno studio recente ha dimostrato che NSP6 forma omodimeri e media la formazione di un "RE con cerniera" - canali membranosi stretti ed esclusivi che collegano "vescicole a doppia membrana", che sono il sito principale della replicazione del genoma virale103. È stato scoperto che la delezione 106-108 in NSP6 migliora specificamente la formazione di questo ER con cerniera, indicando un potenziale adattamento specifico dell'ospite. L'esatto meccanismo di questo miglioramento resta da chiarire, sebbene gli autori dello studio abbiano ipotizzato che la delezione rimuova un presunto sito di glicosilazione legato all'O. Al momento non è chiaro il motivo per cui non è mai stato osservato che Delta e molte altre varianti abbiano ottenuto questo adattamento, nonostante la facilità con cui può verificarsi questa eliminazione. Oltre alle proteine ​​strutturali e ORF1ab, esistono prove molto limitate che mostrano cambiamenti adattativi nelle proteine ​​accessorie, che verranno trattate più avanti in questa revisione. Sfortunatamente, la caratterizzazione sperimentale delle mutazioni non-spike e di eventuali adattamenti associati agli esseri umani nelle varianti SARS-CoV-2 rimane molto indietro rispetto a quella della proteina spike. Ciò è dovuto a una serie di fattori, tra cui l'ubiquità della tecnologia degli pseudovirus utilizzata per studiare i fenotipi di picco rispetto alla complessità tecnica della genetica inversa (solitamente richiesta per studi virologici di mutazioni non-spike) e la scarsità di sistemi in vitro per indagare non-spike. -proteine ​​​​del picco. È chiaro dal lavoro attuale che gli adattamenti senza picchi contribuiscono in gran parte alla forma fisica e alla patogenicità del virus, e il continuo sviluppo di sistemi per studiare queste regioni è vitale per la ricerca in corso.

Risposte delle cellule T e fuga antigenica

Le cellule T rappresentano una parte importante della risposta immunitaria adattativa all'infezione da SARS-CoV-2, con una profonda risposta delle cellule T CD4+ e delle cellule T CD8+ osservata nella maggior parte degli individui infetti104. Diversi studi suggeriscono un ruolo importante per l’immunità delle cellule T nella protezione da COVID grave-19, anche se è probabile che questo sia più sfumato e complesso rispetto al correlato ben caratterizzato della protezione dall’infezione delle risposte anticorpali neutralizzanti105,106. Sebbene le risposte delle cellule T helper CD4+ siano probabilmente ampiamente importanti per la generazione di anticorpi, l'importanza delle cellule T nel ridurre la gravità della malattia potrebbe essere relativamente più importante negli scenari in cui le risposte anticorpali neutralizzanti sono ridotte o non ancora rilevabili. L'induzione precoce di cellule T specifiche per SARS-CoV-2- è osservata più frequentemente nelle infezioni lievi che in quelle gravi107 e le cellule T CD8+ possono essere particolarmente importanti nel ridurre esiti gravi nei pazienti con deficit di cellule B108. Inoltre, una risposta di cellule T CD8+ completamente funzionale viene mobilizzata 1 settimana dopo la prima dose del vaccino mRNA BNT162b2 (Pfizer–BioNTech), in un momento in cui gli anticorpi neutralizzanti non sono completamente indotti, aumentando la possibilità che il vaccino precoce- la protezione indotta può dipendere principalmente dalle cellule T109.

Figura 1|Proprietà delle sostituzioni o delezioni di aminoacidi in varianti selezionate di SARS-CoV-2 che destano preoccupazione

Dato il ruolo fondamentale delle cellule T nell’immunità alla SARS-CoV-2, esiste il potenziale che la pressione selettiva porti alla fuga delle cellule T, sebbene la misura in cui le mutazioni della SARS-CoV-2 influenzino le cellule T sia attualmente poco compreso. Le risposte funzionali delle cellule T sono dirette contro più proteine ​​virali, con l’entità della risposta correlata ai livelli di espressione delle proteine ​​virali. Dominano le risposte alla proteina spike, alla proteina N e alla proteina M, con risposte apprezzabili osservate anche contro ORF3a e le proteine ​​non strutturali NSP3 e NSP12 (rif. 110). Poiché la risposta delle cellule T prende di mira gli epitopi del genoma SARS-CoV-2, le impronte della fuga delle cellule T sono distribuite in modo più ampio rispetto ai cambiamenti guidati dagli anticorpi, che sono concentrati negli epitopi dominanti della proteina spike (Fig. 3) . Pochi studi hanno documentato l'evoluzione intrahost all'interno degli epitopi delle cellule T, che servirebbero come prova diretta della fuga delle cellule T. Mutazioni all'interno degli epitopi CD8+ nella proteina N (M322I e L331F), nella proteina M (L90F) e nella proteina spike (L270F) sono state notate all'interno di varianti minoritarie in uno studio durante infezioni acute, con conseguente perdita di epitopi specifici dell'epitopo risposte111. Le infezioni prolungate da SARS-CoV-2 in ospiti immunocompromessi possono offrire maggiori opportunità di fuga delle cellule T, simili agli esempi ampiamente descritti nell'infezione da HIV-1112. L'emergenza della mutazione NSP3 T504P con conseguente perdita di una risposta epitopica CD8+ è stata segnalata in più individui con deficit immunitario umorale compromesso ma risposte delle cellule T preservate nel contesto dell'infezione cronica da SARS-CoV-2113, 114. Questi risultati sono limitati a pochi casi, dimostrando la necessità di studi di coorte più prospettici che valutino sistematicamente il rischio di fuga delle cellule T in alcune popolazioni di pazienti. Diverse mutazioni all'interno degli epitopi delle cellule T immunodominanti ORF3a e della proteina N CD8+ che comportano la completa perdita di riconoscimento si sono verificate indipendentemente in più lignaggi SARS-CoV-2115. Tra queste c'è la proteina N P13L, presente in Omicron all'interno di un epitopo CD8+ ristretto B*27:05. Data l’ipotesi che i COV emergano nelle infezioni croniche, si è tentati di ipotizzare che la presenza di P13L nei COV di Omicron rifletta la selezione dovuta alla pressione delle cellule T durante l’infezione cronica, oltre alla costellazione di mutazioni dei picchi che sono probabilmente guidate dalla pressione degli anticorpi . L452R trovato nelle proteine ​​​​spike Delta, Epsilon, Kappa e nelle varianti BA.4/ BA.5 provoca la perdita di una risposta A*24:02-CD ristretta8+116. La sostituzione del picco P272L si è verificata in più lignaggi in tutto il mondo e porta alla perdita di un epitopo117 CD8+ ristretto HLA A*02:01 dominante. Il ruolo che le cellule T hanno nel determinare questo cambiamento, oltre all'evasione degli anticorpi e all'aumento dell'affinità di legame con l'ACE2-, è incerto. Altre mutazioni di picco nei COV che sono state associate alla perdita di risposte specifiche CD4+ includono L18F, D80A e D215G in Beta e D1118H in Alpha118,119. Il grado in cui queste osservazioni rappresentano anche effetti accidentali sulle risposte delle cellule T con mutazioni guidate da altre pressioni è attualmente sconosciuto. Nonostante la perdita di queste risposte specifiche, diversi studi mostrano che la risposta complessiva delle cellule T indotta dalle infezioni e dai vaccini di prima generazione è preservata contro la maggior parte dei COV105,118-120. Anche le mutazioni estese nella proteina spike Omicron determinano solo una modesta riduzione inferiore al 30% delle risposte totali CD4+ e CD8+, con una notevole variabilità interindividuale119,120. La maggior parte delle risposte dell'epitopo CD4+ di picco ad alta frequenza si concentrano su regioni discrete dell'NTD, sul terminale carbossilico e sulle regioni della proteina di fusione, con pochissime nell'RBD110. Non ci sono punti caldi chiari degli epitopi del CD di picco8+110. Le mutazioni concentrate nei picchi RBD e NTD presenti in molti COV che si ritiene siano guidate dall'evasione degli anticorpi e da una maggiore affinità di legame con l'ACE2- potrebbero quindi avere un impatto limitato sulla risposta complessiva delle cellule T. Pertanto, la maggior parte degli epitopi delle cellule T sono conservati in diversi COV e ciò probabilmente contribuisce a preservare l’efficacia del vaccino contro l’ospedalizzazione e la morte con Omicron osservata dopo una seconda dose e dopo una terza dose rispetto a nessuna vaccinazione121. L'altro motivo principale del modesto impatto delle varianti sull'immunità delle cellule T è l'ampiezza della risposta generata, con ciascuna risposta crescente a 30-40 epitopi in seguito all'infezione110. A livello di popolazione, esiste anche un’eterogeneità molto maggiore nella risposta delle cellule T rispetto all’immunità anticorpale a causa di diversi polimorfismi presenti nei geni HLA umani. A livello individuale, tuttavia, sono state riportate riduzioni significative delle risposte CD8+ specifiche del picco a Omicron in circa il 15% dei donatori convalescenti e vaccinati117, mentre un altro studio ha rilevato una perdita di CD{{88} superiore al 50% } Risposte delle cellule T e delle cellule T CD8+ in circa il 20% degli individui testati122. Sebbene la generalizzabilità di questi risultati sia limitata dalle piccole dimensioni del campione e dalla distribuzione HLA delle popolazioni studiate, evidenzia comunque il potenziale impatto dei COV sulle risposte delle cellule T in alcuni individui che hanno un’immunità specifica per il picco generata solo attraverso la vaccinazione. Sembra probabile che l’evasione degli anticorpi e la maggiore trasmissibilità continueranno a essere fattori più importanti per l’emergere di COV rispetto alla fuga significativa delle cellule T. È difficile prevedere se nel tempo vedremo la perdita lenta e sequenziale degli epitopi CD8+, simile all'adattamento a lungo termine nell'influenza H3N297. La fuga delle cellule T può avvenire attraverso diversi meccanismi98. I cambiamenti degli amminoacidi all'interno degli epitopi o delle regioni fiancheggianti possono interrompere l'elaborazione dell'antigene e i cambiamenti nei residui di ancoraggio possono interferire con il legame del complesso maggiore di istocompatibilità (MHC) agli epitopi123. Entrambi questi meccanismi possono provocare una perdita irreversibile della reattività delle cellule T a un particolare epitopo. I cambiamenti che compromettono il legame del recettore delle cellule T al complesso peptide-MHC possono, al contrario, provocare una fuga parziale o completa. Quest'ultimo scenario potrebbe anche essere superato dalle risposte de novo delle cellule T utilizzando repertori alternativi di recettori delle cellule T, come precedentemente descritto nell'infezione da HIV-1124.

Oltre alla potenziale fuga delle cellule T, SARS-CoV-2, come molti altri virus, sottoregola direttamente l'espressione di MHC di classe I (MHC-I) sulle cellule infette per eludere il riconoscimento delle cellule T, meglio descritto per la proteina accessoria ORF8 ( Rif. 125.126). È stato segnalato anche che ORF7a (così come ORF3a e ORF6 (rif. 127,128)) sottoregola MHC-I (rif. 128,129), sebbene non sia chiaro se questo sia un effetto specifico o semplicemente il risultato della frammentazione non specifica del Golgi130. Lavori recenti hanno dimostrato che le sostituzioni comuni osservate nei COV non alterano la capacità di ORF8 di sopprimere l'espressione di MHC-I, ad eccezione di un codone di stop prematuro sull'amminoacido 27 in Alpha, che risulta nell'espressione di una forma troncata e non funzionale di ORF8 (rif. 126.131). Nonostante il troncamento di ORF8, nel contesto dell'infezione, Alpha sottoregola ancora l'espressione di MHC-I, il che implica che questa variante, o forse SARS-CoV-2 più in generale, ha sviluppato meccanismi ridondanti per inibire questo percorso126.

Figura 2|Sito di clivaggio della furina e successo della variante

Immunità innata e varianti SARS-CoV-2

L’immunità innata è parte integrante della difesa dell’ospite contro i patogeni, con un ruolo chiave nel controllo virale precoce e nella regolazione delle risposte immunitarie adattive. Le risposte immunitarie innate sono particolarmente critiche contro i nuovi virus, come i patogeni zoonotici, per i quali di solito non esiste un’immunità adattativa preesistente. È sorprendente che nuovi virus zoonotici siano efficaci nel diffondersi tra gli esseri umani attraverso un efficace antagonismo delle difese innate dell’ospite, nonostante la recente replicazione e trasmissione riuscita in una specie ospite lontanamente imparentata, con il suo sistema immunitario innato tipicamente divergente. Una conseguenza della robustezza del sistema immunitario innato umano è che la percentuale di virus zoonotici che causano pandemie è estremamente bassa e le proprietà che si sono evolute nelle specie serbatoio della SARS-CoV-2, in particolare il tropismo dell’ospite generalista ( che includeva gli esseri umani) insieme all'acquisizione della sua FCS nella proteina spike, possibilmente in una specie ospite intermedia, sono state caratteristiche fondamentali per l'inizio della pandemia di COVID-19. È interessante notare che il correlato virus della SARS, SARS-CoV, non si è affermato nella popolazione umana, nonostante sia anch'esso altamente trasmissibile, poiché la sua eradicazione è attribuita a una diffusione meno asintomatica rispetto a SARS-CoV-2, rendendone più facile l'identificazione infezioni. È importante sottolineare che, con la comparsa dei COV SARS-CoV-2, è diventato chiaro che stanno acquisendo adattamenti per infettare gli esseri umani in modo più efficiente, e questo in parte avviene attraverso una maggiore evasione immunitaria innata. Infatti, Alpha133,134 e i COV più recenti77,135,136 hanno sviluppato una ridotta sensibilità agli interferoni, coerentemente con il fatto che questa è una pressione selettiva chiave per la trasmissione del virus negli esseri umani. Sorprendentemente, invece di adattarsi per antagonizzare specificamente le proteine ​​umane, i sottolignaggi Alpha e Omicron BA.4 e BA.5 hanno in parte raggiunto questo obiettivo sovraregolando l’espressione dell’immunità innata che sopprime le proteine ​​virali, in particolare la proteina ORF6 (rif. 77). ORF6 inibisce il trasporto nucleare dei fattori di trascrizione, inclusi STAT1 e IRF3 (rif. 137), che controllano l'espressione di proteine ​​antivirali e mediatori proinfiammatori solubili. Alpha ha anche potenziato l'espressione di ORF9b (che inibisce la segnalazione a valle del rilevamento dell'RNA138) e della proteina N (che sequestra l'RNA virale per prevenire l'attivazione dei meccanismi di rilevamento98), nonché l'espressione de novo di N*/N.iORF3 – l'ammino-terminale forma troncata della proteina N, che mostra un certo antagonismo con l'interferone ma è espressa a bassi livelli98. Livelli aumentati di queste proteine ​​sono probabilmente il risultato di mutazioni nelle regioni regolatrici che modulano la sintesi dell’RNA subgenomico e l’espressione proteica. Ciò evidenzia l’importanza dei cambiamenti al di fuori della proteina spike nel determinare le proprietà dei COV, in particolare nelle regioni regolatorie. Fondamentalmente, le mutazioni nella sequenza Kozak della proteina N che si prevede influenzino l’espressione della proteina Alpha N e della proteina sovrapposta ORF9b compaiono anche nei COV dominanti Delta e Omicron, ma il loro pieno impatto sull’antagonismo immunitario innato in questi COV resta da determinare . La relazione tra SARS-CoV-2 e l'immunità innata è molto complessa. Ad esempio, l’antagonista virale ORF9b sembra essere regolato negativamente attraverso la fosforilazione da parte delle chinasi dell’ospite, suggerendo che la sua inibizione immunitaria innata potrebbe essere disattivata ad un certo punto durante l’infezione, forse una volta innescate le risposte dell’ospite nelle cellule infette133. Un tale meccanismo di commutazione infiammatoria, che regola essenzialmente le risposte dell’ospite all’infezione, potrebbe guidare la sintomatologia e la successiva diffusione virale alterando l’attivazione cellulare.

Ad oggi è stato suggerito che almeno 15 proteine ​​SARS-CoV-2 contribuiscano all'antagonismo delle risposte innate (esaminate in dettaglio altrove139,140). Queste proteine ​​sono state tipicamente identificate tramite screening reporter in cui la proteina SARS-CoV-2 di interesse viene espressa durante una risposta immunitaria innata in vitro simulata e viene valutata la sua capacità di antagonizzare la risposta. Tali esperimenti in genere non forniscono informazioni meccanicistiche ma sono efficaci nella scoperta di nuove funzioni proteiche. Molti dei COV mostrano cambiamenti di aminoacidi in molte delle proteine ​​implicate come antagonisti del sistema immunitario innato, tra cui NSP1, NSP3, NSP6, ORF3a, ORF6, ORF7b, ORF8 e la proteina N. Nella maggior parte dei casi è ancora da stabilire se queste mutazioni codificanti riflettano adattamenti per antagonizzare meglio l’immunità innata umana.

Inoltre, il contributo di queste proteine ​​al fenotipo VOC è poco compreso, poiché ciò richiede la generazione scrupolosa di mutanti isogenici utilizzando la genetica inversa e la valutazione del loro impatto sulla replicazione, sulla produzione di interferone e sulla sensibilità. Oltre a ridurre l’induzione dell’interferone, i COV Alpha e Omicron sono più resistenti all’inibizione grazie ai loro effetti antivirali126,133–135,141. Ciò è stato meglio descritto come correlato agli adattamenti dei picchi che riducono la sensibilità ai fattori di restrizione transmembrana indotti dall'interferone (IFITM)76,134,142. L'esatto effetto delle proteine ​​IFITM durante la replicazione del SARS-CoV-2 è controverso, con alcuni studi che dimostrano che le proteine ​​IFITM inibiscono l'ingresso cellulare del SARS-CoV-2, in modo simile all'influenza19,76,134,142, mentre altri suggeriscono che in alcuni contesti aumentano l'infezione, in modo simile a quello descritto per OC43 e HKU1 (rif. 76,134,143–145). È probabile che il ruolo esatto delle proteine ​​IFITM sia specifico del contesto, come la particolare via di ingresso utilizzata da un particolare virus in un dato tipo cellulare o linea cellulare, l’uso di virus vivi rispetto a pseudovirus e il livello di proteine ​​IFITM espresse. I membri della famiglia IFITM sono piccole proteine ​​transmembrana stimolate dall'interferone associate a diverse membrane cellulari; IFITM1 umano è generalmente associato alle membrane della superficie cellulare, mentre IFITM2 e IFITM3 sono più localizzati rispettivamente negli endosomi tardivi e precoci76,146. L'esatto meccanismo con cui le proteine ​​IFITM influiscono sull'ingresso virale non è completamente risolto, ma si ritiene che sia coinvolta l'inibizione della fusione della glicoproteina virale con le membrane dell'ospite147,148. È stato dimostrato che diversi COV hanno diversi gradi di sensibilità all'inibizione o al potenziamento della proteina IFITM, molto spesso associati a percorsi di ingresso specifici o a fenotipi di scissione della furina. Ad esempio, Omicron, che è più efficiente nell'ingresso endosomiale rispetto alle varianti precoci e ad altri COV, sembra mostrare una maggiore inibizione (o in alcuni casi un potenziamento) da parte delle proteine ​​endosomiali IFITM, sebbene ciò sembri essere fortemente dipendente dal sistema cellulare utilizzato32, 76.145. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che Omicron deve compromettere l’evasione innata a causa dell’elusione dell’immunità adattativa, in particolare nel contesto degli anticorpi “spike” indotti dal vaccino, oppure deve adattarsi per utilizzare le proteine ​​IFITM come cofattori per l’ingresso. Non è ancora chiaro in che modo un maggiore antagonismo dell’immunità innata possa influenzare la trasmissione del virus. Ipotizziamo che la capacità della SARS-CoV-2 di diffondersi in modo efficiente sia fortemente legata alla sua capacità di eludere e antagonizzare le risposte immunitarie innate nelle prime cellule che incontrano il virus nelle vie aeree. In effetti, si prevede che l’efficienza degli eventi di infezione influenzi la diffusione virale attraverso le vie aeree e quindi la probabilità di seminare un’infezione produttiva. È stato dimostrato che le risposte all'interferone di tipo I sono importanti nel determinare l'efficienza e l'esito dell'infezione per altri virus e sono state ben caratterizzate per l'infezione lentivirale dei macachi149.

Infine, il fatto che attualmente ciascun COV si sia evoluto indipendentemente da un virus ancestrale circolante all’inizio della pandemia significa che ciascun COV ha intrapreso un percorso mutazionale diverso per acquisire adattamenti distinti per l’uomo. Di conseguenza, i COV, o addirittura altre varianti di SARS-CoV-2, potrebbero potenzialmente ricombinarsi per unire adattamenti codificati in modo indipendente e quindi vantaggi fenotipici derivanti da genomi di varianti diverse (Riquadro 2).

Figura 3|Potenziale impatto delle varianti SARS-CoV-2 sulle risposte delle cellule T e sull'immunità innata.

Distanza antigenica nel determinare trasmissione e fitness

L’immunità della popolazione in continua evoluzione crea un panorama di fitness dinamico per le varianti virali perché la loro fitness dipende tanto dall’immunità acquisita quanto dal loro insieme di mutazioni uniche. Sebbene complessità come l’ampiezza e la durata dell’immunità siano considerazioni importanti150,151, il numero cumulativo di esseri umani esposti a SARS-CoV-2, tramite infezione e/o vaccinazione, si traduce in una popolazione molto meno suscettibile alla maggior parte dei virus circolanti ( e passato) varianti con un numero sempre decrescente di ospiti immunologicamente ingenui e completamente suscettibili (Fig. 4). All'inizio della pandemia di COVID-19, quando la frazione di ospiti naive era maggiore, c'era lo scarso vantaggio evolutivo della novità antigenica rispetto alle varianti wild-type. Invece, la selezione ha favorito varianti in grado di massimizzare il successo riproduttivo attraverso l’adattamento di caratteristiche biologiche intrinseche come il cambiamento conformazionale nella proteina spike causata da D614G, la mutazione determinante del lignaggio PANGO B.1 o il fenotipo potenziato di scissione della furina accoppiato con un maggiore legame con ACE2 esibito da Alpha27,29. Con l'aumento dell'immunità nella popolazione ospite, la novità antigenica di una variante ha svolto un ruolo sempre più importante nel suo successo riproduttivo, rispetto ai cambiamenti biologici intrinseci152. Successivamente, il Delta VOC è diventato dominante a livello globale, sostituendo le varianti precedenti in paesi con popolazioni parzialmente immuni con copertura vaccinale da moderata ad alta23,153. I dati sulla neutralizzazione del virus hanno indicato una fuga immunitaria moderata dagli anticorpi neutralizzanti da parte del Delta VOC23,37–39, e i dati sull’efficacia del vaccino hanno indicato che la novità antigenica non era il fattore principale dell’aumentata trasmissibilità40–42,154,155, indicando che l’elevata fitness di Delta era più il risultato di fattori intrinseci proprietà virali come l'ottimizzazione della scissione della furina del picco22,23,69. Rispetto alle varianti precedenti, Omicron ha mostrato un grado di novità antigenica senza precedenti31,33,34, probabilmente paragonabile a un evento di spostamento antigenico simil-influenzale51. In questo caso lo "spostamento", l'accumulo di mutazioni che contribuiscono alla distanza antigenica, probabilmente si verifica almeno in parte nel contesto dell'infezione cronica o delle infezioni croniche (Riquadro 1). Un confronto delle dinamiche di trasmissione all'interno delle famiglie vaccinate e non vaccinate ha indicato che la fuga immunitaria era una componente critica dell'aumentata trasmissibilità di Omicron (BA.1) rispetto a Delta durante il periodo di co-circolazione86.

Figura 4|Varianti, vaccinazioni, infezioni e decessi dominanti della SARS-CoV-2 dall'inizio del 2020 nel Regno Unito

Il sottolignaggio Omicron BA.2 si è dimostrato ancora più capace di infettare sia individui non vaccinati che vaccinati, potenzialmente guidato da proprietà di evasività immunitaria simili a quelle di BA.1 ma con una maggiore trasmissibilità intrinseca156. Più recentemente BA.4, BA.5, BA.2.75 e le loro sottolinee hanno mostrato non solo una maggiore evasione dell'immunità rispetto alle varianti pre-Omicron, ma anche una fuga dall'immunità generata da una precedente infezione con Omicron, in particolare BA.1 (rif. 46 –49,157–159). Ciò è stato in gran parte attribuito a mutazioni in posizioni RBD antigenicamente potenti, in particolare L452R e F486V nell'esempio di BA.4/BA.5 (rif. 160). Sebbene possa rimanere il potenziale per un'ulteriore ottimizzazione della SARS-CoV-2 per la trasmissione all'interno degli esseri umani, ora sembra probabile che la novità antigenica e l'evasività immunitaria delle varianti emergenti saranno il determinante principale dell'idoneità delle varianti e del successo evolutivo in futuro . Di conseguenza, comprendere le complessità della protezione incrociata tra varianti è una delle principali priorità della ricerca.

Gravità relativa delle varianti SARS-CoV-2

È fondamentale comprendere come la virulenza delle varianti SARS-CoV-2 potrebbe evolversi in risposta alle mutevoli pressioni selettive. La virulenza dell’agente patogeno, insieme all’immunità, alla suscettibilità individuale, alla predisposizione alla malattia e ad altri fattori dell’ospite, contribuisce in modo determinante alla gravità della malattia ed è definita nella letteratura evoluzionistica come l’aumento della morbilità e della mortalità degli individui a causa dell’infezione. La virulenza non diminuisce necessariamente con il tempo nella popolazione ospite; piuttosto, i dati modellati mostrano generalmente un compromesso tra velocità di trasmissione e virulenza161,162. Tuttavia, la prevedibilità dell’evoluzione della virulenza è complicata da diversi meccanismi, tra cui la competizione all’interno dell’ospite, il cambiamento delle vie di trasmissione e del tropismo e le interazioni con il sistema immunitario. Ad esempio, ondate epidemiche ripetute, caratteristiche di un patogeno che evolve antigenicamente, possono selezionare una virulenza del patogeno più elevata163. Valutare la virulenza relativa delle varianti SARS-CoV-2 attraverso la gravità della malattia negli esseri umani è difficile a causa del cambiamento dello stato immunitario e degli sviluppi negli interventi medici durante la pandemia, sebbene sia possibile confrontare la gravità della malattia delle varianti che hanno infettato le stesse varianti popolazione in un dato periodo164. Questo approccio suggerisce incoerenza nella direzione del cambiamento nella gravità della malattia tra le varianti SARS-CoV-2 successivamente dominanti: le varianti riuscite hanno mostrato un aumento della gravità della malattia quando Alpha ha sostituito B.1.177 e quando Delta ha sostituito Alpha, correlandosi con i cambiamenti relativi in trasmissibilità164. Al contrario, Omicron ha mostrato una ridotta gravità della malattia nel periodo in cui coesisteva con Delta, una diminuzione che sembra riflettere una complessa combinazione di fattori tra cui tassi di infezione più elevati rispetto a quelli con un certo grado di infezione precedente e una virulenza intrinsecamente inferiore164– 168. Le spiegazioni proposte per la minore gravità della malattia delle infezioni da Omicron includono una ridotta fusogenicità della proteina spike, che porta a minori danni ai tessuti, e un tropismo alterato limitato maggiormente al tratto respiratorio superiore (a causa dell'uso alterato di TMPRSS2)32,75,78,79. Questi studi precedenti hanno confrontato la virulenza delle varianti esistenti nella stessa popolazione, sebbene non siano riusciti a determinare la virulenza “intrinseca” delle varianti non sovrapposte che circolavano in popolazioni con diversi stati immunitari, come Alpha e Omicron. Dato che lo stato immunitario di un individuo influenza la gravità dei sintomi oltre alla probabilità di infezione, la “distanza” antigenica tra l’esposizione passata e una variante divergente ha il potenziale di facilitare l’insorgenza della malattia in un individuo altrimenti protetto, rappresentando il fattore potenziale di divergenza tra il potenziale intrinseco di causare danni e la virulenza effettiva nelle persone infette.

Riquadro 3

Fitness e antigenicità

L'idoneità darwiniana209, di solito definita semplicemente “idoneità”, è distinta dall'idoneità replicativa: la capacità di un virus di produrre progenie infettiva, misurata sperimentalmente in cellule in coltura, in colture di tessuti o all'interno di singoli ospiti210,211. Al contrario, la definizione più ampia di fitness è successo riproduttivo, quindi è altamente dipendente dal contesto e spesso varia nel tempo e tra i luoghi. L'idoneità di una determinata variante del coronavirus 2 della sindrome respiratoria acuta grave (SARS-CoV-2) dipenderà dal cambiamento del profilo immunitario della popolazione ospite in cui circola e il successo di una variante individuale è relativo alla proprietà delle varianti concorrenti all'interno della popolazione virale e processi di campionamento stocastico. Man mano che l'immunità nella popolazione ospite aumenta, le condizioni possono comportare che una variante precedentemente altamente trasmissibile, come in una popolazione naive immunitaria, ora sia meno adatta rispetto alle varianti più evolute (Fig. 4b). Sebbene la trasmissibilità intrinseca sia quindi basata solo sulle proprietà biologiche del virus, la trasmissibilità effettiva dipende da queste proprietà nel contesto dell’immunità della popolazione, inclusa l’interazione dell’immunità dell’ospite da esposizioni passate, l’antigenicità delle varianti e gli effetti stocastici. Inoltre, sebbene sia possibile che le varianti possano differire nella loro antigenicità relativa – il livello di risposta immunitaria che stimolano – la variazione nel grado di somiglianza antigenica con altre varianti ha solitamente un impatto maggiore. Man mano che l’immunità nella popolazione ospite aumenta, la distanza antigenica di una variante rispetto alle varianti precedentemente circolanti può determinare la sua capacità di infettare, replicarsi all’interno e diffondersi tra gli ospiti. L'evoluzione della novità antigenica diventa quindi il determinante critico del successo e dell'idoneità riproduttiva della variante.

Un approccio complementare alla misurazione della gravità delle varianti SARS-CoV-2 prevede l'uso di modelli animali (esaminati in modo più approfondito in precedenza che i modelli animali includevano roditori ingenui, come topi transgenici che esprimono ACE2 umano sotto il controllo del promotore della cheratina 18 ( espresso abbondantemente nelle cellule epiteliali170) o criceti, le cui proteine ​​ACE2 espresse nativamente sono utilizzate in modo efficiente da tutti gli attuali COV SARS-CoV-232,171. La patogenicità in questi modelli di roditori è più comunemente misurata in funzione della perdita di peso percentuale, a volte insieme all'uso delle curve di sopravvivenza e delle misure della funzionalità polmonare, i modelli hanno ampiamente ricapitolato i dati di gravità equivalente provenienti da studi epidemiologici sugli esseri umani, come Delta che è più patogeno delle varianti precedenti e Omicron che è meno patogeno di Delta32,69,75,173,174. numerose limitazioni, come esemplificato dalle recenti prove epidemiologiche di Hong Kong che suggeriscono che il sottolignaggio BA.2 di Omicron mostra una gravità della malattia simile a quella delle varianti della prima ondata175, mentre i modelli di roditori generalmente mostrano che Omicron è meno grave delle varianti precedenti32,75,173,174,176. Questa incoerenza potrebbe essere potenzialmente spiegata dal continuo adattamento di SARS-CoV-2 agli ospiti umani, con conseguente adattamento concomitante lontano dai roditori e da altri modelli animali32,80,177,178. La gravità della malattia a seguito dell'infezione da SARS-CoV-2 è correlata a diversi fattori di rischio, tra cui l'età avanzata, morbilità cliniche maschili come l'obesità e l'immunodeficienza e diversi marcatori infiammatori179. Come esaminato altrove, diversi recenti studi genetici si sono concentrati su caratteristiche che potrebbero spiegare perché alcuni individui sono più suscettibili alle infezioni da SARS-CoV-2 e altri sviluppano sintomi più gravi. Tuttavia, esiste un urgente bisogno di combinare questi risultati con i dati provenienti da varianti e interventi specifici (vale a dire vaccini, farmaci e anticorpi monoc e monoclonali) che potrebbero influenzare direttamente i fenotipi osservati179. Inoltre, sebbene gli esiti più comuni e facilmente misurabili delle infezioni acute siano il ricovero in ospedale o la morte, anche gli esiti più difficili da misurare differiscono ampiamente tra le varianti, come la sintomatologia primaria181 o la sindrome COVID-19 post-acuta, sebbene questi probabilmente differiscono notevolmente anche in base allo stato immunitario precedente.

Cistanche tubulosa: migliora il sistema immunitario

Conclusione

Il SARS-CoV-2 circola da 3 anni all'interno della popolazione umana, infettando centinaia di milioni di individui. Resta, tuttavia, un virus umano relativamente nuovo che continua ad evolversi e ad acquisire adattamenti alle nuove specie ospiti. Set di dati senza precedenti sulla sequenza del genoma della SARS-CoV-2 generati a livello globale hanno rivelato prove di mutazioni benefiche che si verificano in esperimenti di laboratorio guidati in tempo reale per comprendere meglio le proprietà intrinseche delle interazioni tra il virus e l'ospite. Anche se abbiamo questa straordinaria conoscenza della biologia della SARS-CoV-2, la forma fisica del virus è altamente dinamica e la capacità della SARS-CoV-2 di infettare, replicarsi e diffondersi tra la popolazione umana è dipesa esplicitamente sul contesto immunitario specifico in diversi periodi della pandemia. Al momento, Omicron è dominante in tutto il mondo, con infezioni guidate dai sottolignaggi emergenti BA.2 e BA.5. Sebbene la nostra comprensione del SARS-CoV-2 stia migliorando, l’evoluzione del virus è intrinsecamente imprevedibile e un probabile scenario futuro è l’emergere di un nuovo COV che è antigenicamente e, potenzialmente, fenotipicamente distinto dalle prime forme di Omicron. Allo stesso tempo, l’immunità della popolazione contro la SARS-CoV-2 continua ad accumularsi e potrebbe compensarsi nel caso in cui emergesse una variante futura con maggiore gravità, che porterebbe a una malattia acuta più lieve. Tutti i progenitori dei COV si sono evoluti da un virus ancestrale pre-COV presente durante la prima ondata della pandemia, seguendo percorsi diversi ma spesso convergenti per infettare e diffondersi in modo più efficiente tra gli esseri umani e per resistere agli anticorpi, all’immunità guidata dalle cellule T e immunità innata. Gli adattamenti richiesti, come discusso in questa recensione, sono un insieme di cambiamenti nell’ospite attraverso le proprietà intrinseche del virus e la fuga dall’immunità innata o adattativa (Riquadro 3). L'ipotesi prevalente è che le varianti provengano da infezioni croniche in individui immunocompromessi, in cui il virus è in grado di stabilire un'infezione persistente a causa della compromissione della funzione immunitaria67. La funzioneotesi spiega il cambio di passo dell'evoluzione apparentemente rapida osservato prima dell'emergere di nuove varianti67,183,184. Tuttavia, va notato che le varianti future saranno probabilmente derivate direttamente da COV precedenti o contemporanei, esemplificati più recentemente dall'ondata di varianti Omicron di "seconda generazione" derivate da BA.2, come BA.2.75, BJ.1, e BA.2.,10.4 (rif. 185). Mentre la ricombinazione intralignaggio funge da opportunità per il virus di ottenere adattamenti additivi e vantaggi fenotipici da varianti circolanti lontanamente imparentate, prima dell’emergere dell’XBB, i ricombinanti hanno esercitato attualmente solo un impatto minore sul corso della pandemia (Riquadro 2). Inoltre, sebbene esistano attualmente prove molto limitate dell’instaurazione di una circolazione e di un’evoluzione a lungo termine nelle specie animali serbatoio, è necessaria una sorveglianza intensa e attiva delle specie sensibili poiché viene documentata la zoonosi inversa4,5,186. Ci sono molti paesi con una bassa capacità di sequenziamento o luoghi con una sorveglianza precedentemente buona che stanno diminuendo o eliminando del tutto il sequenziamento. Ciò è problematico poiché la mancanza di sorveglianza genomica significherà che le varianti future verranno rilevate molto più tardi o potrebbero circolare a bassi livelli prima dell’eventuale rilevamento. Esiste, quindi, la necessità di una copertura di sorveglianza diffusa ed equa per individuare rapidamente potenziali nuovi COV tra questi individui e comunità prima che si diffondano più ampiamente.

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