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

     Pada umumnya coronavirus mengenali reseptor melalui S1-C terminal domain (S1-CTD). Sedangkan beberapa coronavirus lainnya mengenali reseptor sel host melalui S1-N terminal domain (S1-NTD). Pengenalan dan spesifisitas reseptor ini berperan penting dalam ikatan dan masuknya virus ke dalam sel.

Pengenalan Reseptor oleh S1-NTD Coronavirus

     Struktur dari S1-NTD betacoronavirus MHV yang memebentuk kompleks dengan reseptor CAECAM1 pada tikus ditunjukkan seperti pada gambar 1a (Peng et al., 2011). S1-NTD MHV terdiri dari struktur inti β-sandwich dan struktur seperti langit-langit di bagian atasnya. Sruktur inti tersusun dari dua lapis antiparallel β-sheet, satu lapis dengan enam β-strands dan satu lapis dengan tujuh β-strands. S1-NTD MHV memiliki lipatan struktur yang sama dengan human galectins (galactose-binding lectins) seperti tampak pada gambar 1a,c,e dan f. RBM terletak pada permukaan luar dari struktur yang menyerupai langit-langit. Di sisi lain, CAECAM1 memiliki dua atau empat domain immunoglobulin (Ig) (Tan et al., 2002). VBM terletak pada permukaan membrane distal dari domain N-terminal Immunoglobulin (ig) dari CAECAM1. Meskipun lipatan galectins pada S1-NTD, ikatan dengan CAECAM1 terjadi melalui interaksi protein-protein. Studi struktru dan mutagenesis mengidentifikasi dua dua area hidrofobi penting pada interface S1-NTD/CAECAM1. Residu RBM kritis terkonservasi pada S1-NTD dari strain MHV yang berbeda, termasuk hepatotropic strain A59 dan neurotropic strain JHM, menyebabkan strain MHV tersebut dapat mengenali reseptor CAECAM1 (Tsai et al,. 2003). Beberapa residu VBM kritis berbeda dari dua bentuk CAECAM1 pada tikus, CAECAM1a dan CAECAM1b, yang mengekspresikan CAECAM1a tetapi tidak mengekspresikan CAECAM1b sehingga merupakan reseptor yang efektif pada MHV. Molekul CAECAM1a dari tikus, binatang ternak, dan manusia juga berbeda pada beberapa residu kritis VBM, sebagai pembatas transmisi antar spesies dari MHV (Peng et al., 2011). Studi ini memberikan gambaran lipatan galectins pada S1-NTD MHV serta menunjukkan jangkauan host dan tropisme jaringan dari MHV.

Gambar 1. S1-NTD Coronavirus dan struktur inti pada RBD

     Gambar 1 di samping menunjukkan struktur S1-N terminal domain (S1-NTD) betacoronavirus, (a) struktur dari S1-NTD mouse hepatitis coronavirus (MHV) yang membentuk kompleks dengan CAECAM1 (PDB ID: 3R4D). Struktur inti dari S1-NTD MHV diberi warna ungu dan hijau, receptor binding motif (RBM) diberi warna merah, dan sisanya diberi warna cyan. Domain N-terminal Immunoglobulin (Ig) diberi warna kuning dan virus binding motif (VBM) diberi warna biru. (b) Struktur dari S1-NTD bovine coronavirus (BCoV) (PDB ID: 4H14). Tanda asterisk menunjukkan lokasi ikatan untuk reseptor gula Neu5,9Ac2. (c) Struktur dari human galectin-3 yang membentuk kompleks dengan galaktosa (PDB ID: 1A3K). Reseptor gula ditunjukkan dengan warna biru. (d) Struktur dari HA1 virus influenza (PDB ID: 1JSO). Reseptor gula ditunjukkan dengan warna biru. (e-g).  Topologi struktural dari S1-NTD betacoronavirus, human galectins, dan H1A virus influenza.

     Struktur dari S1-NTD betacoronavirus BCoV memberikan ilustrasi domain spike lectin fungsional coronavirus (gambar 1b). S1-NTD BCoV memiliki lipatan galectin yang serupa dengan S1-NTD MHV. Namun, berbeda dengan S1-NTD MHV yang mengenali reseptor protein, S1-NTD BCoV mengenali reseptor gula. Studi mutagenesis mengidentifikasi sugar-binding pocket pada kavitas yang dikelilingi oleh struktur inti dan struktur menyerupai atap di atasnya. Sugar-binding site pada S1-NTD BCoV saling tumpang tindih dengan yang terdapat pada human galectins, meskipun pada human galectins tidak memiliki struktur yang menyerupai langit-langit sehingga sugar-binding site memiliki permukaan terbuka (Seetharaman et al., 1998). S1-NTD BCoV tidak mengenali galaktosa seperti pada galectins, tetapi mengenali 5-N­-acetyl-9-O-acetylneuraminic acid (Neu5,9Ac2). Reseptor gula yang sama juga dikenali oleh human coronavirus OC43 (HCoV-OC43) (Künkel & Herrler, 1993). HCoV-OC43 dan BCoV memiliki kemiripan secara genetik dan studi evolusi menunjukkan kemungkinan OC43 merupakan adaptasi zoonosis dari BCoV (Vijgen et al., 2006). Karena Neu5,9Ac2 diekspresikan secara luas pada jaringan mamalia, pengenalan reseptor gula tersebut mungkin berperan pada transmisi dari hewan ternak ke manusia BCoV. Meskipun demikian, kemripan struktur antara S1-NTD MHV dan BCoV , S1-NTD berikatan dengan CAECAM1 dan bukan reseptor gula (Pen et al., 2011). S1-NTD BCoV tidak berikatan dengan CAECAM1, karena CAECAM-binding RBM pada S1-NTD MHV telah mengalami perubahan bentuk pada S1-NTD BCoV.

     Struktur S1-NTD dari alpha-, gamma-, dan deltacoronavirus tidak tersedia, tetapi berdasarkan observasi yang telah dilakukan mungkin memiliki lipatan galectin. Pertama, topologi struktural antara S1-CTD alpha- dan betacoronavirus menunjukkan bahwa subunit S1 dari berbagai genus memiliki asal evolusi yang sama (Li, 2012). Kedua, S1-NTD dari alphacoronavirus TGEV dan PEDV dan gammacoronavirus IBV semuanya mengenali reseptor gula, meskipun S1-NTD TGEV mengenali N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc) dan ­­N­-acetylneuraminic acid (Neu5Ac), S1-NTD PEDV mengenali Neu5Ac, dan S1-NTD IBV mengenali Neu5Gc (Liu et al., 2015). Dengan demikian, S1-NTD dari berbagai genus yang berbeda mungkin memiliki hubungan evolusioner dan struktural.

     Berdasarkan studi di atas, scenario evolusi berikut tealh diajukan untuk S1-NTD pada coronavirus (Li, 2105). Melalui penangkapan gen, coronavirus mungkin mendapatkan galectin dari host, yang kemudian menjadi S1-NTD pada bagian spike protein. Dengan demikian, coronavirus akan mengenali reseptor gula sebagai tempat masuk ke dalam sel. Untuk membantu pelepasan virus dari sel yang telah terinfeksi, beberapa coronavirus akan berevolusi dengan mengembangkan protein hemagglutinin-esterase (HE) sebagai enzim perusak reseptor. Kemudian, S1-NTD coronavirus akan membentuk struktur seperti langit-langit untuk melindungi sugar-binding site dari pengawasan imun host. Struktur seperti langit-langit ini tidak terdapat pada human galectin karena sebagai protein host, galectin tidak dikenali oleh sistem imun host. Permukaan luar dari struktur seperti langit-langit pada MHV kemudian akan mengalami evolusi struktural yang dapat berfungsi sebagai RBM dan mengenali CAECAM1. Oleh karena reseptor protein secara umum memiliki afinitas dan spesifisitas yang lebih tinggi untuk ikatan virus dibandingkan reseptor gula, fungsi ikatan gula pada S1-NTD MHV akan terdispensasi dan hilang. S1-NTD pada beberapa coronavirus kontemporer, seperti alphacoronavirus TGEV dan PEDV, betacoronavirus OC43 dan BCoV, dan gammacoronavirus IBV masih memertahankan fungsi lectin, akan tetapi telah mengalami diversifikasi spesifisitas gula. Domain seperti galectin juga ditemui pada beberapa spike protein virus (Chen & Li, 2013) (gambar 1d), termasuk pada virs HA1, rotavirus VP4, dan adenovirus. Domain seperti galectin ini menunjukkan mode pengikatan gula yang berbeda, akan tetapi lokasi ikatan gula pada domain tersebut terletak pada kavitas, yang mungkin untuk menghindari pengawasan sistem imun host. Secara umum, hal ini menunjukkan kesuksesan virus untuk mendapatkan lectin host dan berevolusi menjadi RBD dengan spesifisitas baru untuk reseptor protein atau perubahan spefisitas pada reseptor gula yang berbeda. Hal ini juga menunjukkan kemampuan transmisi sehingga menentukan jangkauan host dan tropisme jaringan.

Edit: 29 Maret 2020

Referensi:

• Chen, L & Li, F. 2013. Structural analysis of the evolutionary origins of influenza virus hemagglutinin and other viral lectins. J Virol. 87(7):4118-20.
• Künkel, F., Herrler, G. 1993. Structural and functional analysis of the surface protein of human coronavirus OC43. Virology. 195(1):195-202.
• 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.
• 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.
• Peng, G., Sun, D., Rajashankar, K. R., Qian, Z., Holmes, K. V., Li, F. 2011. Crystal structure of mouse coronavirus receptor-binding domain complexed with its murine receptor. Proc Natl Acad Sci U S A. 108(26):10696-701.
• Seetharaman, J., Kanigsberg, A., Slaaby, R., Leffler, H., Barondes, S. H., Rini, J. M. 1998. X-ray crystal structure of the human galectin-3 carbohydrate recognition domain at 2.1-A resolution. J Biol Chem. 273(21):13047-52.
• Tan, K., Zelus, B. D., Meijers, R., Liu, J. H., Bergelson, J. M., Duke, N., Zhang, R., Joachimiak, A., Holmes, K. V., Wang, J. H. 2002. Crystal structure of murine sCEACAM1a[1,4]: a coronavirus receptor in the CEA family.  EMBO J. 21(9):2076-86.
• Tsai, J. C., Zelus, B. D., Holmes, K. V., Weiss, S. R. 2003. The N-terminal domain of the murine coronavirus spike glycoprotein determines the CEACAM1 receptor specificity of the virus strain. J Virol. 77(2):841-50.
• Vijgen, L., Keyaerts, E., Lemey, P., Maes, P., Van Reeth, K., Nauwynck, H., Pensaert, M., Van Ranst, M. 2006. Evolutionary history of the closely related group 2 coronaviruses: porcine hemagglutinating encephalomyelitis virus, bovine coronavirus, and human coronavirus OC43. J Virol. 80(14):7270-4.