Aproximadamente 70,000 personas en los Estados Unidos son diagnosticadas con COVID-19 todos los días. Está claro que estos nuevos casos están siendo impulsados por la variante Delta más infecciosa del SARS-CoV-2, el nuevo coronavirus que causa el COVID-19. Pero, ¿por qué la variante Delta se propaga más fácilmente que otras variantes virales de una persona a otra?
Ahora, un equipo financiado por los NIH ha descubierto al menos parte del secreto de Delta, y no todo se puede atribuir a esas mutaciones ampliamente estudiadas en la proteína espiga que se une a las células humanas a través del receptor ACE2. Resulta que una mutación específica que se encuentra dentro de la región codificante de la proteína N del genoma Delta también permite que el virus empaquete más de su código de ARN en la célula huésped infectada. Como resultado, hay una mayor producción de nuevas partículas virales completamente funcionales, que pueden infectar a otra persona.
Este hallazgo, publicado en la revista Science [1], proviene del laboratorio de la premio Nobel Jennifer Doudna en el Instituto Médico Howard Hughes, los Institutos Gladstone, San Francisco, y el Instituto de Genómica Innovadora de la Universidad de California, Berkeley. Codirigiendo el equipo estaba Melanie Ott, Gladstone Institutes.
Los equipos de Doudna y Ott han desarrollado una nueva y emocionante herramienta para estudiar variantes del coronavirus. Es una construcción de laboratorio llamada partícula similar a un virus (VLP). Estas VLP especialmente diseñadas tienen todas las proteínas estructurales del SARS-CoV-2 (que se muestra arriba), pero no contienen material genético. En consecuencia, son réplicas no infecciosas del virus real que se pueden estudiar de forma segura en cualquier laboratorio. Los científicos no tienen que reservar tiempo en laboratorios equipados con niveles elevados de bioseguridad, como se requiere cuando se trabaja con virus completos.
Los VLP también permiten a los investigadores explorar los cambios que se encuentran en otras proteínas esenciales del coronavirus, no solo en la proteína de punta en su superficie. De hecho, todas las variantes preocupantes del SARS-CoV-2, según la definición de la Organización Mundial de la Salud (OMS), portan al menos una mutación dentro del mismo tramo de siete aminoácidos en una proteína viral conocida como nucleocápside (proteína N ). Esta proteína, que no ha sido ampliamente estudiada, es necesaria para que el virus se produzca más. También está involucrado en la capacidad del virus para empaquetar y liberar ARN infeccioso.
En el artículo de Science, Doudna y sus colegas observaron más de cerca la proteína N. Lo hicieron mediante el desarrollo de un sistema especial que usaba VLP para empaquetar y entregar mensajes de ARN viral en células humanas.
Así es como funciona: las VLP incluyen las cuatro proteínas estructurales del SARS-CoV-2, incluidas las proteínas Spike y N. Además, contienen la secuencia de ARN que permite que el virus reconozca su material genético dentro de la célula, para que pueda empaquetarse en la próxima generación de partículas virales.
Aunque las partículas se parecen al SARS-CoV-2 desde el exterior, carecen de la gran mayoría del genoma viral en el interior. Pero tienen otro componente clave: un fragmento de ARN que hace que las células invadidas por las VLP brillen. De hecho, cuantos más mensajes de ARN entregue una VLP, más brillarán las células. Permitió a los investigadores detectar invasiones exitosas, al mismo tiempo que cuantificaban la cantidad de ARN que una VLP en particular empaquetaba en una célula.
Luego, los investigadores produjeron VLP de SARS-CoV-2 que incluyen cuatro mutaciones que se encuentran universalmente dentro de las proteínas N de variantes más transmisibles de interés. Fue entonces cuando descubrieron que esas variantes producían y entregaban 10 veces más mensajes de ARN en las células.
El aumento de ARN también encaja con lo que se ha observado en personas infectadas con la variante Delta. Producen alrededor de 10 veces más virus en la nariz y la garganta en comparación con las personas infectadas con las variantes más antiguas.
Pero, ¿coincidieron esos hallazgos con lo que sucede en el virus real? Para averiguarlo, los investigadores y sus colegas probaron la mutación de la proteína N que se encuentra en la variante Delta en un laboratorio de bioseguridad de alto nivel. Y, de hecho, sus estudios mostraron que el virus mutado dentro de las células pulmonares humanas infectadas produjo aproximadamente 50 veces más virus infecciosos en comparación con la variante original del SARS-CoV-2.
Los hallazgos sugieren que la proteína N podría ser un nuevo objetivo importante para las terapias efectivas de COVID-19, y que el seguimiento de las mutaciones emergentes en la proteína N también podría ser importante para identificar nuevas variantes virales de interés. Este nuevo sistema es una herramienta poderosa que también se puede utilizar para explorar cómo las nuevas variantes que surjan en el futuro podrían afectar el curso de esta terrible pandemia.
About 70,000 people in the United States are diagnosed with COVID-19 each and every day. It’s clear that these new cases are being driven by the more-infectious Delta variant of SARS-CoV-2, the novel coronavirus that causes COVID-19. But why does the Delta variant spread more easily than other viral variants from one person to the next?
Now, an NIH-funded team has discovered at least part of Delta’s secret, and it’s not all attributable to those widely studied mutations in the spike protein that links up to human cells through the ACE2 receptor. It turns out that a specific mutation found within the N protein coding region of the Delta genome also enables the virus to pack more of its RNA code into the infected host cell. As a result, there is increased production of fully functional new viral particles, which can go on to infect someone else.
This finding, published in the journal Science [1], comes from the lab of Nobel laureate Jennifer Doudna at the Howard Hughes Medical Institute, the Gladstone Institutes, San Francisco, and the Innovative Genomics Institute at the University of California, Berkeley. Co-leading the team was Melanie Ott, Gladstone Institutes.
The Doudna and Ott teams have developed an exciting new tool to study variants of the coronavirus. It’s a lab construct called a virus-like particle (VLP). These specially made VLPs have all the structural proteins of SARS-CoV-2 (shown above), but they contain no genetic material. Consequently, they are non-infectious replicas of the real virus that can be studied safely in any lab. Scientists don’t have to reserve time in labs equipped with heightened levels of biosafety, as is required when working with whole virus.
The VLPs also allow researchers to explore changes found in the coronavirus’s other essential proteins, not just the spike protein on its surface. In fact, all of the SARS-CoV-2 variants of concern, as defined by the World Health Organization (WHO), carry at least one mutation within the same stretch of seven amino acids in a viral protein known as the nucleocapsid (N protein). This protein, which hasn’t been widely studied, is required for the virus to make more of itself. It is also involved in the virus’s ability to package and release infectious RNA.
In the Science paper, Doudna and colleagues took a closer look at the N protein. They did so by developing a special system that used VLPs to package and deliver viral RNA messages into human cells.
Here’s how it works: The VLPs include all four of SARS-CoV-2’s structural proteins, including the spike and N proteins. In addition, they contain the RNA sequence that allows the virus to recognize its genetic material within the cell, so that it can be packaged into the next generation of viral particles.
Though the particles look just like SARS-CoV-2 from the outside, they lack the vast majority of the viral genome on the inside. But they do have one other key component: a snippet of RNA that makes cells invaded by VLPs glow. In fact, the more RNA messages a VLP delivers, the brighter the cells will glow. It allowed the researchers to spot successful invasions, while also quantifying the amount of RNA a particular VLP packed into a cell.
The researchers then produced SARS-CoV-2 VLPs including four mutations that are universally found within the N proteins of more transmissible variants of concern. That’s when they discovered those variants produced and delivered 10 times more RNA messages into cells.
The increased RNA also fits with what has been observed in people infected with the Delta variant. They produce about 10 times more virus in their nose and throat compared to people infected with the older variants.
But did those findings match what happens in the real virus? To find out, the researchers and their colleagues tested the N protein mutation found in the Delta variant in a high-level biosafety lab. And, indeed, their studies showed that the mutated virus within infected human lung cells produced about 50 times more infectious virus compared to the original SARS-CoV-2 variant.
The findings suggest that the N protein could be an important new target for effective COVID-19 therapeutics, and that tracking newly emerging mutations in the N protein might also be important for identifying new viral variants of concern. This new system is a powerful tool, and one that can also be used for exploring how newly arising variants in the future might affect the course of this terrible pandemic.
Reference:
[1] Rapid assessment of SARS-CoV-2 evolved variants using virus-like particles. Syed AM, Taha TY, Tabata T, Chen IP, Ciling A, Khalid MM, Sreekumar B, Chen PY, Hayashi JM, Soczek KM, Ott M, Doudna JA. Science. 2021 Nov 4:eabl6184.
Links:
COVID-19 Research (NIH)
Doudna Lab
NIH Support: National Institute of Allergy and Infectious Diseases
Post Link
New Clues to Delta Variant’s Spread in Studies of Virus-Like Particles
NIH Blog Post Date
Thursday, November 18, 2021
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