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SARS-CoV2 RNA polimerasi |
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Molecola del mese di settembre 2020 Il Coronavirus duplica il suo genoma di RNA usando una RNA polimerasi specializzata  IntroduzioneAlcuni virus come il Poliovirus, il Rinovirus, e il Coronavirus, non contengono DNA e non ne hanno mai bisogno. Sono chiamati virus a RNA, infatti le loro informazioni genetiche sono contenute in un filamento di RNA che può essere usato come un RNA messaggero per sintetizzare proteine appena il virus ha infettato una cellula. Questi virus hanno bisogno di una speciale polimerasi che sintetizza RNA in un modo del tutto anomalo: mentre nelle nostre cellule la sintesi dell'RNA avviene a partire da un filamento di DNA che fa da stampo, questa polimerasi sintetizza RNA a partire da un filamento di RNA. I virus a RNA codificano questa speciale polimerasi nel loro genoma di RNA, e così la polimerasi viene sintetizzata dai ribosomi della cellula infettata e può cominciare a duplicare l'RNA virale per produrre nuovi virus. I virus a RNA non vanno confusi con i retrovirus come l'HIV virus. Anche questi hanno un genoma di RNA, ma, una volta iniettato nella cellula ospite, questo viene retro-trascritto in DNA da un enzima virale chiamato trascrittasi inversa. Poi il nuovo DNA virale entra nel nucleo e viene inserito nel DNA cellulare da un secondo enzima virale HIV-integrasi (mdm 3-2011). A questo punto il DNA virale può iniziare a produrre RNA usando i normali meccanismi della cellula ospite. Questo RNA è l'RNA genomico del virus e può essere incorporato in nuovi virus, ma può anche produrre le proteine virali sfruttando un terzo enzima virale, HIV proteasi (mdm 6-2000). Microscopia crioelettronica Solo pochi mesi dopo che il virus SARS-CoV-2 è stato scoperto, i ricercatori hanno già rivelato la struttura della sua RNA Polimerasi RNA-dipendente e stanno esplorando le interazioni di questa con l'RNA. La microscopia crioelettronica è stata la tecnica che ha permesso di determinare così rapidamente la struttura della polimerasi, delle sue proteine helper e di un tratto di RNA. Alcune delle prime strutture determinate si trovano già negli archivi PDB (file PDB 6yyt (mostrata qui sopra), 7c2k, 7bzf, 7bv2, e 6x2g). La struttura mostrata qui include la polimerasi (anche nota come nsp12 cioè non structural protein 12) e altre due proteine virali, nsp7 e nsp8, chiamate helper perchè aiutano la polimerasi a restare legata all'RNA e quindi le permettono di copiare lunghe porzioni della sua catena. Nella figura sulla destra le due proteine helper sono state rimosse per vedere meglio l'interazione della polimerasi con le catene di RNA. Bersaglio perfetto Dato che le nostre cellule non sintetizzano l'RNA a partire dall'RNA, questa polimerasi è un bersaglio perfetto per i farmaci antivirali. I nuovi farmaci richiedono molto tempo per essere sviluppati perché ne deve essere valutata non solo l'efficacia, ma anche la sicurezza. I farmaci che attaccano la RNA polimerasi, però, sono stati già sviluppati in passato e oggi possono essere usati contro il COVID-19. Per esempio, il Remdesivir è stato sviluppato per combattere l'epatite C e l'Ebola, ma non si era rivelato molto efficace. Ora lo si sta approvando per un uso di emergenza contro SARS-CoV-2, per esempio è stato usato con successo all'Istituto Spallanzani di Roma per curare i primi due casi di una coppia di turisti cinesi colpita dal COVID-19.  Iniziare
beneNsp7 e nsp8 assistono la polimerasi nel suo lavoro, ma si pensa che aiutino anche ad iniziare l'intero processo di duplicazione formando un primer all'inizio della catena di RNA. La struttura mostrata qui a fianco (file PDB 2ahm) è un grande complesso circolare di nsp8 e nsp9, del virus SARS-CoV, formato da ben 16 catene proteiche. Il foro centrale ha un diametro di circa 30 Angstrom ed è ricco di amminoacidi basici con carica elettrostatica positiva, quindi è ideale per circondare la catena di RNA e assicurare un saldo aggancio alla polimerasi che le consente di duplicare tratti molto lunghi di RNA. I ricercatori credono che questo non solo circondi il filamento di RNA, ma che formi anche il primer, cioè il primo mattone da cui parte la sintesi della catena duplicata. Non è ancora chiaro se questo accada anche nel virus SARS-CoV-2. Esplorando la struttura  Il
farmaco antivirale Remdesivir è un nucleotide modificato
che assomiglia ad una adenosina. Si tratta, in realtà, di un profarmaco
che, nella cellula, viene convertito nella forma attiva di trifosfato
e poi viene incorporato nell'RNA neo-sintetizzato bloccando l'azione della
polimerasi. Provoca una terminazione di catena dato che disturba l'allineamento
delle successive basi azotate grazie ad un sostituente CN legato all'anello
del ribosio. In questa struttura (file PDB 7bv2) si vede il farmaco (verde) dopo che è stato legato al filamento di RNA neo-sintetizzato (giallo). Il filamento di RNA che fa da stampo è mostrato in rosa. Due ioni magnesio (magenta) aiutano la polimerasi nella sua azione, inoltre la struttura contiene un pirofosfato dietro il farmaco (viola). Nella figura seguente è mostrata la forma attiva, trifosfata, del farmaco Remdesivir. Il sotituente che lo distingue da una normale adenosina è il gruppo CN (carbonio beige, azoto blu) legato all'anello del ribosio in basso a destra . . . . . . . . . . . . . . . . . 
Spunti per ulteriori esplorazioni Provate a cercare "RNA-dependent RNA polymerase" nel sito PDB per esaminare enzimi simili di altri virus. In alto in ogni pagina del Sommario della Struttura vi è un link per vedere la mappa cryoEM al EMDataBank.  Bibliografia6yyt: Hillen, H.S., Kokic, G., Farnung, L., Dienemann, C., Tegunov, D., Cramer, P. (2020) Structure of replicating SARS-CoV-2 polymerase. Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-020-2368-8 7c2k, 7bzf, : Wang, Q., Wu, J., Wang, H., Gao, Y., Liu, Q., Mu, A., Ji, W., Yan, L., Zhu, Y., Zhu, C., Fang, X., Yang, X., Huang, Y., Gao, H., Liu, F., Ge, J., Sun, Q., Yang, X., Xu, W., Liu, Z., Yang, H., Lou, Z., Jiang, B., Guddat, L.W., Gong, P., Rao, Z. (2020) Structural Basis for RNA Replication by the SARS-CoV-2 Polymerase. Cell 182: 1-12. 7bv2: Yin, W., Mao, C., Luan, X., Shen, D.D., Shen, Q., Su, H., Wang, X., Zhou, F., Zhao, W., Gao, M., Chang, S., Xie, Y.C., Tian, G., Jiang, H.W., Tao, S.C., Shen, J., Jiang, Y., Jiang, H., Xu, Y., Zhang, S., Zhang, Y., Xu, H.E. (2020) Structural basis for inhibition of the RNA-dependent RNA polymerase from SARS-CoV-2 by remdesivir. Science 368: 1499-1504. 2ahm: Zhai, Y.J., Sun, F., Li, X., Pang, H., Xu, X., Bartlam, M., Rao, Z. (2005) Insights into SARS-CoV transcription and replication from the structure of the nsp7-nsp8 hexadecamer. Nat Struct Mol Biol 12: 980-986.
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