Pengenalan Reseptor Host oleh S-Protein Coronavirus [Bag-1/2]

     Coronavirus menunjukkan pola yang kompleks dalam mengenali reseptor. Misalnya, alphacoronavirus HCoV-NL63 dan betacoronavirus SARS-CoV keduanya mengenali zinc peptidase Angiotensin Converting Enzyme 2 (ACE2) (Li et al., 2003). Lebih lanjut, spesies lain dari alphacoronavirus mengenali reseptor yang berbeda, seperti TGEV (porcine transmissible gastroenteritis coronavirus), PDEV (porcine epidemic diarrhea coronavirus), dan PRCV (porcine respiratory coronavirus) yang menginfeksi babi mengenali reseptor aminopeptidase N (APN). Sementara itu, betacoronavirus seperti MERS-CoV dan HKU4 mengenali serine peptidase, dipeptidyl-peptidase 4 (DPP4), MHV (mouse hepatitis coronavirus) mengenali molekul adhesi sel, carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 1 (CAECAM1), BCoV dan OC43 mengenali gula sebagai reseptor (Schultze et al., 1991). Selain perannya dalam mengikat virus, reseptor coronavirus tersebut mempunyai fungsi fisiologis. S1-subunit dari genus yang berbeda memiliki sedikit kesamaan sekuens, sedangkan dalam satu genus yang sama memiliki banyak kesamaan sekuens (Li, 2012). Oleh karena itu, hal tersebut memunculkan beberapa pertanyaan terkait dengan pengenalan reseptor oleh coronavirus, misalnya (a) Bagaimana coronavirus dari genus yang berbeda mengenali protein reseptor yang sama? (b) Bagaimana coronavirus dari genus yang sama mengenali protein reseptor yang berbeda? (c) Apa dasar molekuler dari coronavirus dalam mengenali reseptor gula dan fungsinya sebagai lectin virus?

     Terdapat dua domain mayor pada S1 spike protein virus, yaitu N-terminal domain (S1-NTD) dan C-terminal domain (S1-CTD). Salah satu atau kedua domain tersebut memiliki potensi berikatan dengan reseptor dan berperan sebagai receptor binding domain (RBD). S1-NTD berperan dalam berikatan dengan gula (Liu et al. 2015), dengan pengecualian betacoronavirus MHV S1-NTD yang mengenali reseptor protein CAECAM1 (Kubo et al., 1994). S1-CTD bereperan dalam mengenali reseptor ACE2, APN, dan DPP4 (Mou et al., 2013).

Gambar 1. Struktur S1-CTD betacoronavirus dengan Cryo-EM

Pengenalan Reseptor oleh S1-CTD Coronavirus

     Struktur S1-CTD dari betacoronavirus SARS-CoV yang membentuk kompleks dengan ACE2 pada manusia digambarkan secara atomik (Li et al., 2006) pada gambar di atas (1a). SARS-CoV S1-CTD terdiri dari 2 subdomain, yaitu struktur inti dan receptor-binding motif (RBM). Sruktur inti terdiri dari 5 untai antiparallel β-sheet (cyan), dan RBM (merah) memiliki permukaan konkaf yang lebih luas untuk berikatan dengan ACE2 (hijau). Bagian dasar dari permukaan konkaf ini adalah 2 untai antiparallel β-sheet, dan bagian tepi dibentuk oleh loop. Ektodomain dari reseptor ACE2 terdiri dari membrane-distal peptidase dan membrane-proximal collectrin. Beberapa virus-binding motifs (VBMs) telah diidentifikasi pada permukaan luar dari domain peptidase, jauh dari lokasi katalitik peptidase di bawahnya. Ikatan SARS-CoV dengan sel host tidak mempengaruhi aktivitas enzimatik dari ACE2, serta aktivitas enzimatik tidak berperan dalam masuknya SARS-CoV (Li et al., 2005).

     Penelitian mengenai interaksi antara SARS-CoV dan ACE2 memberikan gambaran terhadap transmisi antar spesies dari SARS-CoV. Selama epidemic SARS-CoV, strain SARS-CoV yang memiliki kemiripan diisolasi dari pasien dan binatang luwak dari pasar hewan terdekat (Gaun et al., 2003). S1-CTD pada kedua virus tersebut berbeda tetapi hanya terdapat dua residu pada regio RBM: Asn479 dan Thr487 pada strain manusia menjadi Lys479 dan Ser487 strain luwak (gambar 1b dan 1c). Akan tetapi, S1-CTD pada strain manusia berikatan lebih kuat dengan reseptor ACE2 dibandingkan pada S1-CTD pada strain yang menginfeksi luwak. Dua hot spot ikatan virus telah diidentifikasi pada ACE2 manusia, pada residu ACE2 Lys31 dan Lys353 secara berurutan (Wu et al., 2011). Kedua hot spot tersebut memiliki jembatan garam yang berada di bawah lingkungan hidrofobik dan berperan penting dalam ikatan antara virus-reseptor. Residu 479 dan 487 pada S1-CTD SARS-CoV berinteraksi secara dekat dengan kedua hotspot tersebut dan secara selektif mengalami tekanan untuk mutasi. Terdapat dua mutasi secara seleksi natural, yaitu K479N dan S487T, memperkuat struktur hot spot dan meningkatkan afinitas ikatan S1-CTD terhadap reseptor ACE2 pada manusia (Wu et al., 2011). Oleh karena itu, kedua mutasi tersebut berperan penting dalam transmisi dari luwak ke manusia dan manusia ke manusia selama epidemi SARS.

     Jika dibandingkan dengan ACE2 manusia, ACE2 pada mencit memiliki dua residu yang berbeda dan dapat menginterferensi ikatan SARS-CoV yaitu His353 dengan mengganggu struktur hotspot pada Lys353, dan Asn82 memiliki N-linked glycans (ikatan antara oligosakarida dengan atom nitrogen) yang menginterferensi sterik pada ikatan SARS-CoV (gambar 1d). Reseptor ACE2 pada tikus juga memiliki His353 tetapi tidak memiliki N-linked glycans pada residu 82. Oleh karena itu, ACE2 mencit bukan merupakan reseptor SARS-CoV, sedangkan ACE2 tikus merupakan reseptor SARS-CoV yang lemah. Sehingga, SARS-CoV tidak menginfeksi mencit, dan secara efisien menginfeksi sel tikus (Frieman et al., 2012). Studi mengenai interaksi antara SARS-CoV dan ACE2 menunjukkan bahwa (a) satu atau beberapa mutasi pada RBD virus dapat menyebabkan outbreak yang serius, (b) satu atau beberapa variasi residu pada homolog reseptor dari berbagai spesies dapat menjadi penghalang transmisi antar-spesies.

     Struktur dari S1-CTD betacoronavirus MERS-CoV yang membentuk kompleks dengan DPP4 pada manusia, jika dibandingkan dengan SARS-CoV, memberikan contoh yang menarik bagaimana dua RBD dengan struktur yang serupa mengenali reseptor protein yang berbeda (gambar 1a dan 1e). Seperti halnya SASR-CoV S1-CTD, MERS-CoV S1 S1-CTD juga memiliki 2 subdomain, yaitu struktur inti dan RBM. Struktur inti dari SARS-CoV S1-CTD dan MERS-CoV S1-CTD saling menyerupai satu sama lain, sedangkan RBM keduanya berbeda. Sebagai perbandingan dominasi loop dan permukaan konkaf pada SARS-CoV RBM, MERS-CoV RBM terdiri dari 4 untai antiparallel β-sheet, yang memberikan bentuk permukaan cukup datar untuk berikatan dengan DPP4. Sementara itu, DPP4 membentuk homodimer dan masing-masing monomer memiliki domain hydrolase dan β-propeller. VBM terdapat pada permukaan luar dari domain β-propeller. Variasi dari residu VBM pada homolog DPP4 menjadi penghalang spesies mamalia yang berbeda untuk terjadi transmisi antar-spesies MERS-CoV. Misalnya, molekul DPP4 pada mencit dan tikus merupakan reseptor lemah MERS-CoV sebab keduanya memiliki perbedaan residu pada VBM yang mengganggu ikatan MERS-CoV (Fukuma et al., 2015). DPP4 pada unta merupakan reseptor yang efektif karena residu VBM yang mendukung. Isolasi MERS-CoV dari unta mengindikasikan adanya transmisi zoonosis dari unta ke manusia. Beberapa MERS-related CoV juga diisolasi dari kelelawar. Diantaranya HKU4 yang mengenali DPP4 dengan mekanisme struktural yang sama dengan MERS-CoV, mengindikasikan asal MERS-CoV dari kelelawar (Wang et al., 2014). Dengan demikian, studi ini telah menunjukkan bahwa RBD virus dengan struktur inti yang serupa dapat mengenali reseptor yang berbeda melalui variasi struktural pada RBM, dan mengindikasikan bahwa pengenalan reseptor merupakan penentu penting jangkauan host virus.

     Struktur dari alphacoronavirus HCoV-NL63 S1-CTD yang membentuk kompleks dengan ACE2, jika dibandingkan dengan SARS-CoV, menunjukkan dua struktur RBD yang berbeda mengenali reseptor protein yang sama (gambar 2a). S1-CTD HCoV-NL63 memiliki struktur inti dan 3 loop RBM. Struktur inti dari S1-CTD HCoV-NL63 adalah β-sandwich yang terdiri dari dua 3-untai antiparallel β-sheet. Hal ini berbeda dengan struktur inti S1-CTD SARS-CoV yang terdiri dari satu lapis 5-untai antiparallel β-sheet. Bagian RBM dari S1-CTD HCoV-NL63 adalah 3 loop pendek diskontinu. Hal ini berbeda dengan RBM dari S1-CTD SARS-CoV yang memiliki subdomain panjang kontinu. Meskipun demikian, SARS-CoV dan HCoV-NL63 memiliki topologi struktur yang sama (gambar 2c, d). Meskipun perbedaan struktur, kedua virus tersebut berikatan dengan VBM yang sama pada reseptor ACE2 (gambar 2e, f). Diantara hot spot ikatan SARS-CoV pada reseptor ACE2, penengahan pada residu Lys353 juga berperan penting pada ikatan HCoV-NL63 (Wu et al., 2011). Sebagai konsekuensinya, masuknya HCoV-NL63 ke dalam sel tikus tidak efisien karena adanya His353 pada reseptor ACE2 tikus. Studi ini menunjukkan bagaimana RBD dengan struktur yang berbeda dapat berikatan dengan binding-hot spot yang sama pada reseptor protein.

Gambar 2. Struktur S1-CTD alphacoronavirus dengan Cryo-EM

     Struktur dari alphacoronavirus PRCV S1-CTD yang membentuk kompleks dengan reseptor APN pada babi, jika dibandingkan dengan HCoV-NL63, memberikan contoh yang lain bagaimana dua RBD coronavirus yang serupa berikatan dengan reseptor yang berbeda (gambar 2a, b). Seperti HCoV-Nl63 S1-CTD, PRCV S1-CTD memiliki struktur inti β-sandwich dan tiga loop RBM. Struktur inti keduanya serupa, akan tetapi RBM kedua virus tersebut berbeda, sehingga memiliki spesifisitas reseptor yang berbeda. Struktur dari ektodomain APN berbentuk seperti kuda laut. VBM terdapat pada permukaan luar dari APN, jauh dari lokasi katalisis APN di dalam. Beberapa alphacoronavirus yang lain, seperti TGEV, PEDV, HCoV-229E, feline coronavirus, dan canine coronavirus, mengenali APN dari host natural di alam sebagai reseptor (Tussel, 2007). Alphacoronavirus yang mengenali reseptor APN, kecuali pada PEDV, juga mengenali APN kucing, menunjukkan transmisi feline coronavirus dari kucing ke mamalia lainnya. Studi ini memunjukkan bahwa struktur RBD yang serupa dengan struktur inti yang saling menyerupai, dapat mengenali reseptor protein yang berbeda meskipun memiliki struktur RBM yang divergen (Li, 2016).

     Beberapa studi di atas memberikan pandangan mengenai evolusi S1-CTD pada coronavirus (Li, 2015). Meskipun struktur S1-CTD alpha dan betacoronavirus adalah β-sandwich dan satu lapis β-sheet secara berurutan, keduanya memiliki topologi struktur yang sama, menunjukkan asal evolusi yang sama. S1-CTD dari genus yang berbeda sepertinya mengalami evolusi divergen ekstensif sehingga memiliki struktur inti yang divergen. Hubungan evolusi yang kompleks dari S1-CTD diantara genus yang berbeda mencerminkan tekanan evolusi yang berat pada domain ini.

Edit: 27 Maret 2020

Referensi:

• Frieman, M., Yount, B., Agnihothram, S., Page, C., Donaldson, E., Roberts, A., Vogel, L., Woodruff, B., Scorpio, D., Subbarao, K., Baric, R. S. Molecular determinants of severe acute respiratory syndrome coronavirus pathogenesis and virulence in young and aged mouse models of human disease. J Virol. 86(2):884-97.
• Fukuma, A., Tani, H., Taniguchi, S., Shimojima, M., Saijo, M., Fukushi, S. 2015. Inability of rat DPP4 to allow MERS-CoV infection revealed by using a VSV pseudotype bearing truncated MERS-CoV spike protein. Arch Virol. 160(9):2293-300.
• Guan, Y., Zheng, B. J., He, Y. Q., Liu, X. L., Zhuang, Z. X., Cheung, C. L., Luo, S. W., Li, P. H., Zhang, L. J., Guan, Y. J., Butt, K. M., Wong, K. L., Chan, K. W., Lim, W., Shortridge, K. F., Yuen, K. Y., Peiris, J. S., Poon, L. L. 2003. Isolation and characterization of viruses related to the SARS coronavirus from animals in southern China. Science. 302(5643):276-8.
• Kubo, H., Yamada, Y. K., Taguchi, F. 1994. Localization of neutralizing epitopes and the receptor-binding site within the amino-terminal 330 amino acids of the murine coronavirus spike protein. J Virol. 68(9):5403-10.
• Li, F. 2012. Evidence for a common evolutionary origin of coronavirus spike protein receptor-binding subunits. J Virol. 86(5):2856-8.
• Li, F. 2015. Receptor recognition mechanisms of coronaviruses: a decade of structural studies. J Virol. 89(4):1954-64.
• Li, F., Li, W. H., Farzan, M., Harrison, S.C. 2006. Interactions between SARS coronavirus and its receptor. In: Perlman S, Holmes KV, editors. Nidoviruses: Toward Control of SARS and Other Nidovirus Diseases. New York: Springer. pp. 229–34.
• Li, W., Moore, M. J., Vasilieva, N., Sui, J., Wong, S. K., Berne, M. A., Somasundaran, M., Sullivan, J. L., Luzuriaga, K., Greenough, T. C., Choe, H., Farzan, M. 2003. Angiotensin-converting enzyme 2 is a functional receptor for the SARS coronavirus. Nature. 426(6965):450-4.
• Li, W., Zhang, C., Sui, J., Kuhn, J. H., Moore, M. J., Luo, S., Wong, S. K., Huang, I. C., Xu, K., Vasilieva, N., Murakami, A., He, Y., Marasco, W. A., Guan, Y., Choe, H., Farzan, M. 2005. Receptor and viral determinants of SARS-coronavirus adaptation to human ACE2. EMBO J. 24(8):1634-43.
• Liu, C., Tang, J., Ma, Y., Liang, X., Yang, Y., Peng, G., Qi, Q., Jiang, S., Li, J., Du, L., Li, F. 2015. Receptor usage and cell entry of porcine epidemic diarrhea coronavirus. J Virol. 89(11):6121-5.
• Mou, H., Raj, V. S., van Kuppeveld, F. J., Rottier, P. J., Haagmans, B. L., Bosch, B. J. 2013. The receptor binding domain of the new Middle East respiratory syndrome coronavirus maps to a 231-residue region in the spike protein that efficiently elicits neutralizing antibodies. J Virol. 87(16):9379-83.
• Tusell, S. M., Schittone, S. A., Holmes, K. V. 2007. Mutational analysis of aminopeptidase N, a receptor for several group 1 coronaviruses, identifies key determinants of viral host range. J Virol. 81(3):1261-73.
• Wang, Q., Qi, J., Yuan, Y., Xuan, Y., Han, P., Wan, Y., Ji, W., Li, Y., Wu, Y., Wang, J., Iwamoto, A., Woo, P. C., Yuen, K. Y., Yan, J., Lu, G., Gao, G. F. 2014. Bat origins of MERS-CoV supported by bat coronavirus HKU4 usage of human receptor CD26. Cell Host Microbe. 16(3):328-37.
• Wu, K., Chen, L., Peng, G., Zhou, W., Pennell, C. A., Mansky, L. M., Geraghty, R. J., Li, F. 2011. A virus-binding hot spot on human angiotensin-converting enzyme 2 is critical for binding of two different coronaviruses. J Virol. 85(11):5331-7.
• Schultze, B., Gross, H. J., Brossmer, R., Herrler, G. 1991. The S protein of bovine coronavirus is a hemagglutinin recognizing 9-O-acetylated sialic acid as a receptor determinant. J Virol. 65(11):6232-7.