Mekanisme Struktural Fusi Membran Virus dan Host oleh S-Protein Coronavirus

     Spike protein (S-Protein) coronavirus dipercaya merupakan anggota dari protein fusi membran kelas I yang juga terdapat pada virus influenza, human immunodeficiency virus (HIV), dan virus Ebola (gambar 1a). Diantara protein-protein tersebut, hemagglutinin glycoprotein (HA) dari virus influenza merupakan yang paling banyak diteliti (Skehel & Wiley, 2000). HA diekspresikan sebaai prekursor rantai tunggal. Selama maturasi molekuler, HA mengalami trimerisasi dan dipotong oleh protease host menjadi reseptor-binding subunit HA1 dan membrane-fusion subunit HA2, yang masih saling berhubungan satu sama lain melalui interaksi nonkovalen (Klenk & Garten, 1994). Bentuk prefusi HA pada virion yang baru terbentuk merupakan trimer yang stabil. Pada saat memasuki sel, HA1 berikatan dengan reseptor gula pada permukaan sel host, kemudian HA1 terdisosiasi serta HA2 mengalami perubahan konformasi dan bertransisi menjadi bentuk postfusi. Selama transisi tersebut, 3 pasang heptad repeat regions HR-N dan HR-C pada trimer HA2 membentuk struktur bundel enam-helix. Fusion peptide hidrofobik yang sebelumnya terkubur pada trimer HA2 menjadi terekspos dan bergabung ke target membran host. Fusion peptide dan transmembrane anchor akhirnya diposisikan pada ujung yang sama dari bundle enam-helix, menggabungkan membrane virus dan host menjadi satu. Karena struktur bundle enam-helix stabil secara energi, sejumlah besar energi dilepaskan selama transisi konformasi HA, mendorong fusi membran labih jauh. Namun demikian, penghalang energi awal untuk memulai transisi konformasi HA harus diatasi oleh priming proteolitik tersebut dan salah satu atau lebih dari pemicu berikutnya. Pemicu tersebut dapa berupa pengikatan reseptor (misalnya HIV), pH rendah (misalnya virus influenza), atau kombinasi dari keduanya (misalnya avian leucosis virus) (Mothes et al., 2000). Fusi membrane terjadi pada permukaan sel host (misalnya HIV) atau di dalam endosome (misalnya virus influenza).

Gambar 1. Fusi membran virus dan host

     Pada gambar disamping tampak mekanisme struktural dari fusi membran coronavirus, (a) Fusi membran dari protein fusi membran kelas I, gambaran skematis protein pada konformasi fase prefusi dan postfusi, (b) Gambar pewarnaan negatif mikroskop elektron dari spike protein SARS-CoV pada fase prefusi dan postfusi, (c) Struktur postfusi domain S2 spike SARS-CoV pada larutan (kiri) dan in vivo (kanan). Kepanjangan – FP: fusion peptide; HR-N: heptad repeat region N; HR-C: heptad repeat region C; IC: intracellular tail; SARS-CoV: severe acute respiratory syndrome coronavirus; TM: transmembrane anchor.

     Secara keseluruhan struktur atau arsitektur prefusi spike coronavirus menyerupai, meskipun secara signifikan lebih besar dan lebih kompleks, daripada HA virus influenza. Pada masing-masing spike, tiga kepala S1 terletak di atas tangkai trimer S2, berfungsi mencegah S2 mengalami perubahan konformasi. S1-CTD terletak pada bagian atas spike, sedangkan secara langsung berhubungan dan membatasi S2. Pada tangkai trimer S2, HR-N membentuk beberapa heliks dan menempatkan diri di sepanjang sumbu simetri dari trimer S2, sedangkan HR-C lebih tidak beraturan. Berbeda dengan fusion peptide pada HA virus influenza, yang terletak pada N-terminal dari HA2, fusion peptide spike coronavirus terletak pada N-terminal dari S2 sehingga merupakan fusion peptide internal. Fusion peptide spike coronavirus membentuk heliks pendek dan sebuah loop, dengan sebagian besar residu hidrofobik tertutup di bawah struktur prefusi. Dua lokasi proteolisis sangat penting untuk transisi konformasi S2, lokasi tersebut tedapat pada batas S1/S2 dan satu lagi terdapat pada N-terminal dari fusion peptide internal (Belouzard et al., 2012).

     Pewarnaan negatif elektron mikroskop SARS-CoV memberikan gambaran langsung mengenai transisi konformasional yang mungkin berhubungan dengan fusi membran pada saat masuknya virus ke sel host (Li et al., 2006). Pemicu in vitro (misalnya pemotongan tripsin dan inkubasi urea) menginduksi fase prefusi spike SARS-CoV mengalami transisi ke fase postfusi, yang mana S1 terdisosiasi dan S2 membentuk struktur seperti dumbbell dengan struktur seperti batang di bagian tengah dan struktur globuler di bagian ujungnya. Jika dibandingkan dengan HA virus influenza, struktur seperti batang di bagian tengah merepresentasikan bundle enam-heliks yang terdiri dari HR-N dan HR-C, dimana struktur globular pada kedua ujung merepresentasikan regio N-terminal dari HR-N dan residu antara HR-N dan HR-C (gambar 1c). Fusion peptide hidrofobik pada N-terminal dari HR-N, yang sebelumnya terkubur pada fase prefusi menjadi terkespose pada fase postfusi S2 kemudian membentuk ikatan dan berbentuk seperti mawar pada larutan. Struktur enam-heliks telah diamati untuk beberapa jenis coronavirus seperti MHV, SARS-CoV, MERS-CoV, dan HCoV-NL63 (Xu et al., 2004). Jika dibandingkan dengan HA virus influenza, bundle enam-heliks pada yang dibentuk oleh HR-N dan HR-C coronavirus sangat panjang (Duquerroy, 2005), mengindikasikan jumlah energi yang besar yang dapat dilepaskan selama transisi konformasi S2 dan tersedia untuk digunakan dalam fusi membran. Secara keseluruhan, studi ini menunjukkan fusi membran spike coronavirus menggunakan mekanisme struktural yang sama dengan protein fusi membran kelasi I lainnya, tetapi dengan beberapa fitur unik seperti ukurannya yang besar, fusion peptide internal, dua lokasi pembelahan, dan bundle enam-heliks yang panjang.

Edit: 30 Maret 2020

Referensi:

• Belouzard, S., Millet, J. K., Licitra, B. N., Whittaker, G. R. 2012. Mechanisms of coronavirus cell entry mediated by the viral spike protein. Viruses. 4(6):1011-33.
• Duquerroy, S., Vigouroux, A., Rottier, P. J., Rey, F. A., Bosch, B. J. 2005. Central ions and lateral asparagine/glutamine zippers stabilize the post-fusion hairpin conformation of the SARS coronavirus spike glycoprotein. Virology. 335(2):276-85.
• Klenk, H. D. & Garten, W. 1994 Host cell proteases controlling virus pathogenicity. Trends Microbiol. 2(2):39-43.
• Li, F., Berardi, M., Li, W., Farzan, M., Dormitzer, P. R., Harrison, S. C. 2006. Conformational states of the severe acute respiratory syndrome coronavirus spike protein ectodomain.  J Virol. 80(14):6794-800.
• Mothes, W., Boerger, A. L., Narayan, S., Cunningham, J. M., Young, J. A. 2000. Retroviral entry mediated by receptor priming and low pH triggering of an envelope glycoprotein. Cell. 103(4):679-89.
• Skehel, J. J. & Wiley, D. C. 2000. Receptor binding and membrane fusion in virus entry: the influenza hemagglutinin. Annu Rev Biochem. 69:531-69.
• Xu, Y., Lou, Z., Liu, Y., Pang, H., Tien, P., Gao, G. F., Rao, Z. 2004. Crystal structure of severe acute respiratory syndrome coronavirus spike protein fusion core. J Biol Chem. 279(47):49414-9.