Загадки COVID-19 и перспективы их разрешения
Р.Н. Мустафин, Э.К. Хуснутдинова
Р.Н. Мустафин, кандидат биологических наук, доцент, Башкирский государственный медицинский университет
Э.К. Хуснутдинова, доктор биологических наук, профессор, директор, Институт биохимии и генетики, Уфимский федеральный исследовательский центр РАН
Несмотря на глобальную распространенность COVID-19 и исследование болезни во всем мире, до сих пор не внедрена в клинику вакцина против SARS-CoV-2 и не разработана эффективная противовирусная терапия. Тяжелое течение COVID-19 с гиперактивностью иммунной системы наиболее часто определяется у пожилых пациентов, хотя старение характеризуется снижением защитных сил организма и пролиферативного потенциала костного мозга. Характерны значительные различия в показателях смертности от COVID-19 и распределении тяжести болезни в разных странах. Результаты эпидемиологических исследований по всему миру показали высокий процент бессимптомного носительства SARS-CoV-2. Для определения причин этих особенностей новой коронавирусной инфекции необходим поиск различных способов взаимодействий SARS-CoV-2 с организмом человека. Возможными механизмами, которые влияют на иммунный ответ при COVID-19, являются взаимосвязи коронавирусов с РНКинтерференцией и эндогенными ретровирусами человека. В частности, было доказано влияние SARS-CoV-2 на РНК-индуцируемый комплекс выключения гена и воздействие белков N и 7а вируса на выработку малых интерферирующих РНК. Кроме того, обнаружен процессинг транскриптов коронавирусов в малые некодирующие РНК, влияющие на иммунные реакции хозяина. Эти внутриклеточные реакции могут иметь значение в характере противовирусного ответа человека. Подтверждением служат данные о патологической активности ретроэлементов и изменении в системе РНК-интерференции при старении, что может объяснить развитие у пожилых людей более тяжелых форм COVID-19, так как коронавирусы могут взаимодействовать с транспозонами. Для выявления этих механизмов у SARSСо2 и их влияния на развитие иммунных реакций необходимо проведение секвенирования геномов пациентов, пораженных COVID-19. Полученные данные могли бы стать основой новых стратегий в борьбе с коронавирусной инфекцией. Сделано предположение, что популяционные особенности распределения ретроэлементов в геномах людей могут играть роль в характере противовирусного ответа и течении COVID-19.
Ключевые слова: вирусы, иммунная система (ИС), инсерция, РНК-интерференция (РНКи), COVID-19, SARS-CoV-2
R.N. Mustafin, E.K. Khusnutdinova. COVID-19 MYSTERIES AND POSSIBLE WAYS OF THEIR SOLUTION
Despite the COVID-19 global pandemic and worldwide research of this disease, no vaccine against SARS-CoV-2 has yet been introduced into clinical practice and no effective antiviral therapy of COVID-19 has been developed. The severe course of COVID-19 with hyperactivity of the immune system is most often found in elderly patients, though aging is usually characterized by a decrease in immunity and proliferative potential of the bone marrow. Significant differences were found in the mortality rates from COVID-19 and the distribution of the severity of this disease in different countries. Statistical studies worldwide have shown a high percentage of asymptomatic carriers of the SARS-CoV-2 virus. To determine the causes of these features of the new coronavirus infection, it is necessary to search for various mechanisms of interaction of SARS-CoV-2 with the host organism. Possible systems that affect the human antiviral immune response to SARS-Sov-2 are RNA interference and human endogenous retroviruses. For example, it has been proved that there are the relationship of SARSCoV-2 with the RNA-induced silencing complex and the effect of the N and 7a proteins of this virus on the production of small interfering RNAs. In addition, the processing of transcripts of coronaviruses into small non-coding RNAs that affect the host's immune responses has been identified. These intracellular interactions can affect the nature of the human antiviral response. This suggestion can be confirmed by the pathological activity of retroelements and changes in the RNA interference system during aging, which may explain the development of more severe forms of COVID-19 in elderly people, since RNA-viruses can use reverse transcriptase and host's integrase to integrate into its genome. To identify these mechanisms in SARS-CoV-2 and their effect on the development of immune responses, it is necessary to perform sequencing of cell genomes of the patients affected by COVID-19. The results of sequencing could be the basis for new strategies in the fight against coronavirus infection. We suggest that the population specificity of the distribution of retroelements in the human genome may affect the characteristics of the antiviral response and the severity of COVID-19.
Key words: viruses, immune system, insertion, RNAinterference, COVID-19, SARS-CoV-2
Введение
Коронавирусы (CoVs) являются крупными оболочечными вирусами с «плюс-нитевой» РНК, широко распространенными среди различных видов животных [1]. Роль таких CoVs, как 229Е, НКШ, КЬ63 и ОС43 в развитии легких и умеренных форм ОРВИ у человека известна уже более 50 лет. Однако в 2002 году SARS-CoV и в 2012 году MERS-CoV стали причиной эпидемий с развитием тяжелых форм инфекции и внутрибольничных вспышек [2]. Для SARS показатель смертности составил 9,6%, для MERS 34,4% [3]. В середине декабря 2019 года в Китае, в городе Ухань, возникла вспышка нового типа коронавирусной инфекции, которая быстро распространилась по всему миру. Секвенирование генома вируса, выделенного из нижних дыхательных путей больного из Уханя 10 января 2020 года, показало, что это неизвестный ранее CoV Через 2 дня ВОЗ назвала данный патоген «2019-nCoV». 20 января 2020 года Национальная комиссия здравоохранения КНР официально включила новую болезнь в инфекционные заболевания класса В. 11 февраля 2020 года Исследовательская группа по коронавирусам Международной комиссии по классификации вирусов дала название новому коронавирусу SARS-CoV-2 (Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2). В тот же день ВОЗ назвала заболевание, вызванное этим вирусом, COVID-19 (COronaVIrusDisease-2019) [4]. 19 марта 2020 года оценка характера распространения новой болезни позволила ВОЗ объявить о пандемии [5].
Все коронавирусы характеризуются аналогичным строением геномов различных видов [6]. SARS-CoV-2 более чем на 70% сходен с SARS-CoV [3] и состоит из 29 900 рибонуклеотидов, более 67% которых на 5'-конце представлены открытой рамкой считывания orf1ab, которая кодирует orflab-полипротеины. Другая часть генома SARS-CoV-2 на его 3'-конце представлена генами, которые кодируют структурные белки: S (поверхностные), N (нуклеокапсидные), Е (оболочечные), М (мембранные) и добавочные белковые продукты ORF3a, ORF6, ORF7a, ORF7b и ORF8 [6]. COVID-19 является зооантропонозной инфекцией с возможностью передачи от животных к человеку и от человека к человеку воздушно-капельным, контактным и фекально-оральным путями [2]. Природным резервуаром SARS-CoV-2 считаются летучие мыши [5].
Клинические проявления COVID-19 различаются в зависимости от степени тяжести болезни. При легком течении отмечаются симптомы острой инфекции верхних дыхательных путей без пневмонии, включая лихорадку, усталость, миалгию, кашель, боль в горле, насморк и чихание. При умеренной тяжести развивается пневмония с лихорадкой и кашлем без одышки и гипоксемии. Тяжелое течение характеризуется быстрым прогрессированием, одышкой, центральным цианозом, сатурацией менее 92% и другими проявлениями гипоксемии. Критические состояния включают острый респираторный дистресс-синдром (ОРДС), шок, дыхательную и/или полиорганную недостаточность. Большинство случаев COVID-19 у взрослых характеризуются как легкие и умеренные (81%), у детей болезнь протекает главным образом в легких формах (до 90%). Однако необходимо отметить выраженные различия в распределении особенностей инфекции в разных странах. Так, бессимптомное вирусоносительство у инфицированных SARSСоУ-2 может варьировать от 1% в Китае [2] до 30,8% у жителей других стран [7]. По данным официальной статистики (coronavirusmonitor.ru), показатели смертности при COVID-19 в разных странах значительно отличаются, что говорит о различии в тяжести проявлений болезни. Так, в Саудовской Аравии летальность от данной инфекции составила 0,65%, в России 0,93%, тогда как в Италии 13,91%, Великобритании 14,79%, Бельгии 16,39%, Республике Абхазия 33,34%.
Основными причинами смертности от COVID-19 являются ОРДС, септический шок с мультиорганной недостаточностью, ДВС-синдром, острая сердечная/печеночная/почечная недостаточность и вторичные бактериальные инфекции. Люди старше 60 лет более восприимчивы к инфекции SARSСоУ-2 и характеризуются более высокой смертностью от COVID-19. Была выявлена взаимосвязь между вирусной нагрузкой и тяжестью течения болезни. У пациентов старше 65 лет обычно определяется более высокая вирусная нагрузка и развитие тяжелого поражения легких, требующее госпитализации в отделение интенсивной терапии с плохим прогнозом [8]. Пожилые люди также более подвержены заражению COVID-19 [2]. Многочисленные исследования показали, что тяжелые формы COVID-19 вызваны гиперактивным ответом иммунной системы (ИС), «цитокиновым штормом», при котором происходит высвобождение многочисленных медиаторов воспаления [9].
Для больных с тяжелым течением COVID-19 характерна лимфопения, в основном Т-лимфоцитов. Несмотря на это, определяется активация Т-хелперов и Т-киллеров с повышенной экспрессией CD69, CD38, CD44. Наблюдается также повышенный уровень провоспалительных цитокинов [интерлейкины ГЬ-6, ГЬ-10, гранулоцитарный колониестимулирующий фактор (G-CSF), моноцитарный хемоаттрактантный белок 1 (МСР1), макрофагальный белок воспаления 1а (М1Р1а) и фактор некроза опухолей а (TNF-а)]. Кроме того, при тяжелом течении COVID-19 происходит повреждение ткани легких вследствие их инфильтрации большим количеством нейтрофилов и других воспалительных клеток. Происходит массивный провоспалительный ответ или «цитокиновый шторм», который ведет к ОРДС и мультиорганной дисфункции. Наблюдаемые при тяжелых формах COVID-19 тромбозы связаны с наличием АСЕ2 на эндотелиоцитах [10].
РНК-интерференция и коронавирусы
коронавирусный инфекция пролиферативный
С возрастом снижается выработка защитного иммунитета к вирусным инфекциям и вакцинам [11, 12], что не согласуется с преобладанием у пожилых людей тяжелого течения COVID-19 [2, 8], для которого характерна гиперактивность ИС [8, 9]. Возможными причинами этого феномена могут быть особенности взаимодействий SARS-CoV-2 с другими противовирусными системами организма, что опосредованно влияет на характер реагирования ИС. Наиболее подходящим кандидатом является РНК-интерференция (РНКи), которая является внутриклеточным механизмом посттранскрипционного сайленсинга генов, эволюционно консервативного для всех эукариот. В системе РНКи при помощи эндорибонуклеазы Dicerиз вирусной РНК образуются малые интерферирующие РНК (siPHK), которые интегрируются в белок Argonaute комплекса RISC (RNA-induced silencing complex). Это ведет к прямому разрушению родственных (в соответствии с комплементарностью специфичных последовательностей) вирусных РНК в инфицированных клетках. Для противодействия системе РНКи вирусы кодируют супрессоры РНКи (VSR). Примером VSR вируса гриппа-A является NS1, вируса Денге-2 NS2A, которые ингибируют вирусные siPHKи противовирусный ответ РНКи. Было показано, что белки 7а и N коронавирусов SARS-CoV и SARS-CoV-2 также проявляют активность VSR в клетках млекопитающих. В эксперименте in vivo на клеточных культурах 293Т выявлено, что белок N SARS-CoV-2 обладает неспецифической РНК-связывающей активностью и может взаимодействовать с двуцепочечными РНК в клетках, что может вызывать подавление выработки интерферона (IFN) [1].
В экспериментах на мышах, инфицированных SARS-CoV и вирусом гриппа, было выявлено изменение экспрессии 200 различных некодирующих РНК (нкРНК), спектр которых значительно отличается для этих двух вирусов. Обнаружено, что SARS-CoV кодирует белок, сходный по последовательностям с эукариотической эндонуклеазой XendoU, которая вовлечена в процессинг клеточных малых ядрышковых РНК [13]. В бронхоальвеолярных стволовых клетках выявлена способность SARS-CoV кооптировать активацию miR-1, miR-574-5p, miR-214 с целью подавления собственной репликации для устранения собственной иммунной элиминации до успешной передачи. Мишени коронавирусных белков N и S вызывают ингибирование экспрессии miR-223 и miR-98 в бронхоальвеолярных стволовых клетках, благодаря чему контролируют их дифференцировку и активацию воспалительных хемокинов [14]. Несмотря на защитные свойства РНКи, образованные из коронавирусов нкРНК могут оказывать выраженное патологическое воздействие на организм. Например, в исследовании на мышах, инфицированных SARS-CoV, были выявлены комплементарные палиндромные малые РНК (cpsРНК) длиной 19 нуклеотидов, обозначаемые SARS-CoV-cpsR19, которые вызывают апоптоз клетки хозяина [15]. Другие малые вирусные РНК SARS-CoV, длиной 18-22 нуклеотида, в экспериментах на мышах вызывали воспалительный процесс в легочной ткани, стимулируя экспрессию провоспалительных цитокинов. Эти малые РНК образуются из генов р3 (svRNA-nsp3.1 и svRNA-nsp3.2) и N (svRNA-N) вируса SARS-CoV при помощи рибонуклеазы III [16]. Можно предположить, что подобными свойствами обладают также SARS-CoV-2 в связи с выраженным сходством с SARS-CoV [3].
Взаимосвязь CoV с РНКи может объяснить особенности течения COVID-19 в связи с тем, что у пожилых людей наблюдается изменение экспрессии различных микроРНК. Так, при старении выявлено изменение уровней микроРНК, связанных с воспалением (1еЕ7, т-146), оксидативным стрессом и митохондриальной дисфункцией (т-1, -15Ь, -20а, -22, -34а, -50, -51, -58, -84, -93, -122, т-128, -130Ь, -146а, -183, -193Ь, -200с, -214, -296, -329, -335, -355, -449а, -455, -669с, -709, -796, -101а, -210, -494, -720, -721), укорочением теломер (т-23, -143, -145, -5125р, -101, -204, -376а, -486-5р) и с самими процессами старения (Нп-4, т-7а, -14, 24-3р, 29а, 29с, 148Ь-3р, 185, 195, 301а/Ь, 405а, 497, 539) [17]. Динамическая сеть микроРНК играет ключевую роль в регуляции протеома Т лимфоцитов. Было показано, что у пожилых людей происходит активация т-21, что смещает транскриптом дифференцировки от Т-клеток памяти к воспалительным эффекторным Т-лимфоцитам [11]. Дефицит т146aпри старении приводит к хроническому воспалению, которому способствует miR-155 в Т-лимфоцитах, стимулирующая активацию популяции эффекторных Т-клеток и выработку аутоантител В-лимфоцитами [18]. В то же время miR-155 регулирует противовирусный ответ, контролируя пролиферацию и выработку цитокинов Т-хелперами [19]. Исследования на здоровых людях показали, что с возрастом снижается экспрессия микроРНК miR-181aв Т-лимфоцитах, что способствует снижению защитных реакций ИС [12].
Ретроэлементы и коронавирусы
коронавирусный инфекция пролиферативный
Причиной дисбаланса в системе РНК-интерференции у пожилых людей, проявляющейся изменением экспрессии различных микроРНК [17], может служить нарушение регуляции ретроэлементов (РЭ). Действительно, была доказана роль патологической активации РЭ в развитии старения и ассоциированных болезней, таких как сахарный диабет и сердечнососудистые заболевания [20]. Это связано с образованием нкРНК из последовательностей РЭ в геноме [21]. РЭ это транспозоны, способные перемещаться в другие локусы путем «копирования и вставки» с образованием промежуточной РНК. Их подразделяют на содержащие длинные концевые повторы (LTR-РЭ, к которым относятся эндогенные ретровирусы (ERV)) и nonLTR-РЭ (включают автономные РЭ LINEи неавтономные РЭ SINE) [22].
SARS-CoV-2 могут вызывать различные по выраженности иммунные реакции у людей в связи с влиянием на РНКи [1], что отражается на активности определенных РЭ, способных изменять характер иммунных реакций организма. Так, было показано, что LINE1 в стареющих клетках способствует ассоциированным с возрастом воспалительным реакциям за счет активации ответа IFN-.
В экспериментах воздействие на мышей ингибитора обратной транскриптазы ламивудина подавляло активацию IFN-1 и воспаление в тканях [23]. ERV тоже влияют на ответ IFN за счет образования IFN-индуцируемых энхансеров, способствуя регуляции важнейших иммунных функций, включая активацию инфламмосомы AIM2. Предполагается, что в эволюции от древних вирусов возникли регуляторные последовательности, которые используются геномами хозяев как динамический резервуар IFN-индуцируемых энхансеров, стимулирующих генетические инновации в ИС млекопитающих [24].