UDOSTĘPNIJ ARTYKUŁ Z GRAFIKĄ:

Koronawirus zespołu ostrej niewydolności oddechowej 2 (SARS-CoV-2) doprowadził do pandemii choroby koronawirusowej 2019 (COVID-19), poważnie wpływając na zdrowie publiczne i gospodarkę światową. Odporność adaptacyjna odgrywa kluczową rolę w walce z zakażeniem SARS-CoV-2 i bezpośrednio wpływa na wyniki kliniczne pacjentów. Badania kliniczne wykazały, że pacjenci z ciężkim COVID-19 wykazują opóźnioną i słabą adaptacyjną odpowiedź immunologiczną; jednak mechanizm, za pomocą którego SARS-CoV-2 hamuje odporność nabytą, pozostaje niejasny. Tutaj, używając linii komórkowej in vitro, donosimy, że białko wypustek SARS-CoV-2 znacząco hamuje naprawę uszkodzeń DNA, co jest wymagane do skutecznej rekombinacji V(D)J w odporności nabytej. Mechanicznie stwierdziliśmy, że białko kolczaste lokalizuje się w jądrze i hamuje naprawę uszkodzeń DNA, utrudniając rekrutację kluczowych białek naprawczych DNA BRCA1 i 53BP1 do miejsca uszkodzenia.

Nasze odkrycia ujawniają potencjalny mechanizm molekularny, dzięki któremu białko wypustek może utrudniać odporność adaptacyjną i podkreślać potencjalne skutki uboczne szczepionek opartych na wypustkach o pełnej długości.

Wnioski płynące z badania:

1.Wpływ białek wirusowych SARS-CoV-2 zlokalizowanych w jądrze jądrowym na naprawę uszkodzeń DNA

Naprawa uszkodzeń DNA zachodzi głównie w jądrze, aby zapewnić stabilność genomu. Chociaż białka SARS-CoV-2 są syntetyzowane w cytozolu [1], niektóre białka wirusowe są również wykrywalne w jądrze, w tym Nsp1, Nsp5, Nsp9, Nsp13, Nsp14 i Nsp16 [19]. Zbadaliśmy, czy te zlokalizowane w jądrze białka SARS-CoV-2 wpływają na system naprawy uszkodzeń DNA komórki gospodarza. W tym celu skonstruowaliśmy plazmidy ekspresyjne białek wirusowych wraz z plazmidami ekspresyjnymi kolców i nukleoprotein, które są ogólnie uważane za białka zlokalizowane w cytozolu. Potwierdziliśmy ich ekspresję i lokalizację za pomocą immunoblottingu i immunofluorescencji (ryc. 1A i ryc. S1A). Nasze wyniki były zgodne z wynikami z poprzednich badań [19]; Białka Nsp1, Nsp5, Nsp9, Nsp13, Nsp14 i Nsp16 są rzeczywiście zlokalizowane w jądrze, a nukleoproteiny są zlokalizowane głównie w cytozolu. Co zaskakujące, odkryliśmy obfitość białka kolczastego w jądrze (ryc. 1A). Naprawa NHEJ i naprawa rekombinacji homologicznej (HR) to dwa główne szlaki naprawy DNA, które nie tylko stale monitorują i zapewniają integralność genomu, ale są również niezbędne dla adaptacyjnych funkcji komórek odpornościowych [9]. Aby ocenić, czy te białka wirusowe utrudniają szlak naprawy DSB, zbadaliśmy naprawę miejscowo-specyficznego DSB indukowanego przez endonukleazę I-SceI przy użyciu białka bezpośredniej fluorescencji z zielonym powtórzeniem (DR-GFP) i całkowitego NHEJ-GFP ( EJ5-GFP) systemy reporterowe odpowiednio dla HR i NHEJ [15,16]. Nadekspresja białek Nsp1, Nsp5, Nsp13, Nsp14 i kolców zmniejszyła wydajność naprawy zarówno HR, jak i NHEJ (ryc. 1B-E i ryc. S2A, B). Co więcej, odkryliśmy również, że nadekspresja Nsp1, Nsp5, Nsp13 i Nsp14 radykalnie hamowała proliferację w porównaniu z innymi badanymi białkami (Figura S3A, B). Zatem hamujący wpływ Nsp1, Nsp5, Nsp13 i Nsp14 na naprawę uszkodzeń DNA może wynikać z efektów wtórnych, takich jak zatrzymanie wzrostu i śmierć komórki. Co ciekawe, nadeksprymowane białko wypustek nie wpływało na morfologię ani proliferację komórek, ale znacząco hamowało naprawę HR i NHEJ (ryc. 1B-E, ryc. S2A, B i S3A, B).

2. Białko kolce SARS-CoV-2 hamuje naprawę uszkodzeń DNA

Ponieważ białka kolców mają kluczowe znaczenie dla pośredniczenia w wnikaniu wirusa do komórek gospodarza i są przedmiotem większości strategii szczepień [20, 21], dalej badaliśmy rolę białek kolców w naprawie uszkodzeń DNA i związanej z tym rekombinacji V(D)J. Uważa się, że białka kolczaste są zwykle syntetyzowane na szorstkiej retikulum endoplazmatycznym (ER) [1]. Po modyfikacjach potranslacyjnych, takich jak glikozylacja, białka kolczaste przemieszczają się przez aparat błony komórkowej wraz z innymi białkami wirusowymi, tworząc dojrzały wirion [1]. Białko kolczaste zawiera dwie główne podjednostki, S1 i S2, a także kilka domen funkcjonalnych lub powtórzeń [22] (ryc. 2A). W stanie natywnym białka kolczaste istnieją jako nieaktywne białka pełnej długości. Podczas infekcji wirusowej proteazy komórek gospodarza, takie jak proteaza furynowa, aktywują białko S poprzez rozszczepienie go na podjednostki S1 i S2, co jest niezbędne do wniknięcia wirusa do komórki docelowej [23]. Następnie zbadaliśmy różne podjednostki białka wypustkowego, aby wyjaśnić cechy funkcjonalne wymagane do hamowania naprawy DNA. Tylko białko wypustek o pełnej długości silnie hamowało naprawę(po "szczepieniu" dochodzi właśnie do produkcji takich białek w organizmie człowieka - przyp.redeakcji) zarówno NHEJ, jak i HR (ryc. 2B-E i ryc. S4A, B). Następnie staraliśmy się ustalić, czy białko wypustek bezpośrednio przyczynia się do niestabilności genomowej poprzez hamowanie naprawy DSB. Monitorowaliśmy poziomy DSB za pomocą testów kometowych. Po różnych terapiach uszkodzeń DNA, takich jak napromienianie γ, traktowanie doksorubicyną i traktowanie H2O2, w obecności białka wypustkowego dochodzi do mniejszej naprawy (ryc. 2F, G). Razem dane te pokazują, że białko kolce bezpośrednio wpływa na naprawę DNA w jądrze.

3. Białka kolczaste utrudniają rekrutację białek punktów kontrolnych naprawy uszkodzeń DNA

Aby potwierdzić istnienie białka S w jądrze, przeprowadziliśmy analizę frakcji subkomórkowych i stwierdziliśmy, że białka S są nie tylko wzbogacone we frakcję błony komórkowej, ale także występują obficie we frakcji jądrowej, z wykrywalną ekspresją nawet we frakcji związanej z chromatyną ( Rysunek 3A). Zaobserwowaliśmy również, że kolec ma trzy różne formy, wyższe pasmo to kolec o wysokim stopniu glikozylacji, środkowy kolec o pełnej długości, a dolny to podjednostka odciętego kolca. Zgodnie z testem kometowym, odkryliśmy również regulację w górę markera uszkodzenia DNA, γ-H2A.X, w komórkach z nadekspresją białka kolczastego w warunkach uszkodzenia DNA (ryc. 3B). Ostatnie badania sugerują, że białka kolczaste indukują stres ER i degradację białek związaną z ER [24]. Aby wykluczyć możliwość, że białko kolczaste hamuje naprawę DNA poprzez promowanie degradacji białka naprawczego DNA, sprawdziliśmy ekspresję niektórych niezbędnych białek naprawczych DNA w szlakach naprawy NHEJ i HR i odkryliśmy, że te białka naprawcze DNA były stabilne po nadekspresji białka kolczastego (Rysunek 3C ). Aby określić, w jaki sposób białko kolczaste hamuje szlaki naprawy zarówno NHEJ, jak i HR, przeanalizowaliśmy rekrutację BRCA1 i 53BP1, które są kluczowymi białkami punktu kontrolnego odpowiednio dla naprawy HR i NHEJ. Odkryliśmy, że białko wypustek znacznie hamowało tworzenie się ognisk BRCA1 i 53BP1 (ryc. 3D-G). Razem dane te pokazują, że pełnej długości białko wypustek SARS-CoV-2 hamuje naprawę uszkodzeń DNA, utrudniając rekrutację białek naprawczych.

4. Białko kolczaste upośledza rekombinację V(D)J in vitro

Naprawa uszkodzeń DNA, a zwłaszcza naprawa NHEJ, jest niezbędna do rekombinacji V(D)J, która jest podstawą odporności komórek B i T [9]. Do tej pory wiele zatwierdzonych szczepionek SARS-CoV-2, takich jak szczepionki mRNA i szczepionki adenowirusowe-COVID-19, zostało opracowanych w oparciu o pełnej długości białko wypustek [25]. Chociaż jest dyskusyjne, czy SARS-CoV-2 bezpośrednio infekuje prekursory limfocytów [26,27], niektóre doniesienia wykazały, że zakażone komórki wydzielają egzosomy, które mogą dostarczać RNA lub białko SARS-CoV-2 do komórek docelowych [28,29]. Następnie zbadaliśmy, czy białko wypustek zmniejszyło rekombinację V(D)J za pośrednictwem NHEJ. W tym celu zaprojektowaliśmy system reporterowy rekombinacji V(D)J in vitro zgodnie z poprzednim badaniem [18] (Rysunek S5). W porównaniu z pustym wektorem, nadekspresja białka wypustkowego hamowała rekombinację V(D)J zależną od RAG w tym systemie reporterowym in vitro (Figura 4).

Podsumowanie

Nasze odkrycia dostarczają dowodów na to, że białko kolca uszkadza maszynerię naprawy uszkodzeń DNA i adaptacyjną maszynerię immunologiczną in vitro. Proponujemy potencjalny mechanizm, dzięki któremu białka kolczaste mogą osłabiać odporność nabytą poprzez hamowanie naprawy uszkodzeń DNA. Chociaż nie opublikowano żadnych dowodów na to, że SARS-CoV-2 może infekować tymocyty lub komórki limfoidalne szpiku kostnego, nasz test reporterowy V(D)J in vitro pokazuje, że białko wypustek intensywnie utrudnia rekombinację V(D)J. Zgodnie z naszymi wynikami, obserwacje kliniczne pokazują również, że ryzyko ciężkiej choroby lub zgonu z powodu COVID-19 wzrasta wraz z wiekiem, zwłaszcza osób starszych, które są najbardziej zagrożone [22]. Może to wynikać z tego, że białka kolczaste SARS-CoV-2 mogą osłabiać system naprawy DNA osób starszych, a w konsekwencji utrudniać rekombinację V(D)J i odporność nabytą.

W przeciwieństwie do tego, nasze dane dostarczają cennych szczegółów na temat udziału podjednostek białka wypustek w naprawie uszkodzeń DNA, wskazując, że szczepionki oparte na wypustkach o pełnej długości mogą hamować rekombinację V(D)J w komórkach B, co jest również zgodne z niedawnym badanie, że szczepionka o pełnej długości oparta na kolcach indukowała niższe miana przeciwciał w porównaniu ze szczepionką opartą na RBD [28]. Sugeruje to, że zastosowanie antygenowych epitopów kolca jako szczepionki SARS-CoV-2 może być bezpieczniejsze i skuteczniejsze niż kolce o pełnej długości. Podsumowując, zidentyfikowaliśmy jeden z potencjalnie ważnych mechanizmów supresji SARS-CoV-2 w adaptacyjnej maszynerii odpornościowej gospodarza. Co więcej, nasze odkrycia sugerują również potencjalny efekt uboczny szczepionki opartej na białku kolca pełnej długości. Prace te przyczynią się do lepszego zrozumienia patogenezy COVID-19 i zapewnią nowe strategie projektowania skuteczniejszych i bezpieczniejszych szczepionek.

Zahamowanie możliwości naprawczych DNA może przynieść liczne odległe skutki uboczne - nowotwory, zaburzenia odporności... Co jeszcze???

Tak wygląda "bezpieczeństwo" szczepień???