Struktur Spike Protein (S-Protein) Coronavirus

     Coronavirus menimbulkan ancaman kesehatan yang serius baik pada manusia dan hewan. Pada tahun 2002 hingga 2003, severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) menginfeksi sedikitnya 8000 orang, dengan case fatality rate sekitar 10% (Ksiazek et al., 2003). Sejak tahun 2012, Middle East Respiratory Syndrome coronavirus (MERS-CoV) telah menginfeksi kurang lebih 1700 orang, dengan tingkat case fatality rate sekitar 36% (Zaki et al., 2012). Selain itu, pada tahun 2013 terjadi wabah porcine epidemic diarrhea coronavirus (PEDV) di Amerika Serikat, menyebabkan case fatality rate hampir 100% pada babi dan mengurangi populasi babi hampir 10% di seluruh wilayah Amerika Serikat dalam kurun waktu kurang dari satu tahun (Chen et al., 2014). Pada umumnya, coronavirus menyebabkan gangguan sistem respirasi, gastrointestinal, dan sistem saraf pusat pada manusia dan hewan yang menimbulkan masalah kesehatan serta menyebabkan kerugian ekonomi. Coronavirus mampu beradaptasi terhadap lingkungan baru melalui mutasi dan rekombinasi dengan relatife mudah sehingga dapat mengalami perubahan inang dan jaringan secara efisien (Graham & Baric, 2010).

     Coronavirus merupakan family Coronaviridae yang termasuk dalam ordo Nidovirales (Enjuanes et al., 2006). Kelompok tersebut dapat dibagi lagi menjadi genus Alphacoronavirus, Betacoronavirus, Gammacoronavirus, dan Deltacoronavirus. Diantara virus-virus tersebut, alpha dan beta-coronavirus menginfeksi mamalia, gammacoronavirus menginfeksi spesies unggas, dan deltacoronavirus menginfeksi kedua jenis mamalia dan spesies unggas. Beberapa contoh alphacoronavirus adalah human coronavirus NL63 (HCoV-NL63), porcine transmissible gastroenteritis coronavirus (TGEV), PEDV, dan porcine respiratory coronavirus (PRCV). Beberapa contoh dari betacoronavirus antara lain SARS-CoV, MERS-CoV, bat coronavirus HKU4, mouse hepatitis coronavirus (MHV), bovine coronavirus (BCoV), dan human coronavirus OC43. Contoh dari gamma dan deltacoronavirus antara lain avian infectious bronchitis coronavirus (IBV) dan porcine deltacoronavirus (PdCV) secara berurutan. Coronavirus merupakan virus berukuran besar, dibungkus oleh envelope, dan memiliki positive-strand RNA. Virus ini memiliki genom terpanjang diantara semua virus RNA, biasanya antara 27 – 32 kb (kilobase). Genom virus dikemas di dalam kapsid berbentuk heliks yang tersusun atas nucleocapsid protein (N) dan selebihnya dikelilingi oleh envelope. Bagian envelope virus sedikitnya tersusun dari 3 jenis protein struktural, yaitu protein membran (M), protein envelope (E) yang terlibat dalam pembentukan virus, sedangkan spike protein (S) berperan sebagai medioator virus untuk memasuki sel inang. Beberapa coronavirus juga menyandi protein hemagglutinin-esterase (HE) yang berhubungan dengan envelope virus. Diantara protein struktural tersebut, spike protein membentuk protrusi besar dari permukaan virus, yang memberikan coronavirus memiliki penampakan seperti memiliki mahkota (dalam bahasa Latin corona artinya mahkota). Sebagai tambahan dalam mediasi virus ke sel inang, spike protein juga berperan penting dalam menentukan kisaran atau variasi inang dan jaringan serta penginduksi utama respon imun host (Li, 2016).

Gambar A. S-Protein Coronavirus

     Gambar di samping menunjukkan jenis-jenis coronavirus dan spike protein, (a) Klasifikasi dari coronavirus disertai beberapa contoh dari masing-masing genus dari Alphacoronavirus, Betacoronavirus, Gammacoronavirus, dan Deltacoronavirus. (b) Gambar skematik dari strukur spike coronavirus sebelum mengalami fusi. Pada gambar tampak receptor-binding subunit S1, membrane-fusion subunit S2, transmembrane anchor (TM), intracellular tail (IC), dan envelope virus (C). Pada gambar (c) menunjukkan gambaran skematik dari struktur domain spike coronavirus, termasuk S1-N terminal domain (S1-NTD), S1-C terminal domain (S1-CTD), fusion peptide (FP), serta heptad repeat regions N dan C (HR-N dan HR-C). Gambar gunting menandakan lokasi proteolysis pada spike protein coronavirus. (d) Struktur dan fungsi dari spike protein coronavirus, reseptor host yang dikenali oleh domain S1 adalah angiotensin converting enzyme 2 (ACE2), aminopeptidase N (APN), dipeptidyl peptidase 4 (DPP4), carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 1 (CEACAM1), dan gula. Gambaran struktur kristal dari domain S1 dan heptad repeat S2, dengan PDB (Protein Data Bank) ID (nomor identifikasi) 3KBH untuk HCoV-NL63 S1-CTD, 4F5C untuk PRCV S1-CTD, 2AJF untuk SARS-CoV S1-CTD, 4KR0 untuk MERS-CoV S1-CTD, 3R4D untuk MHV S1-NTD, 4H14 untuk BCoV S1-NTD, 2IEQ untuk HCoV-NL63 Heptad Repeats, 1WYY untuk SARS-CoV Heptad Repeats, 4NJL untuk MERS-CoV Heptad Repeats, dan 1WDF untuk MHV Heptad Repeats.

Gambar B. Struktur trimerik spike coronavirus

     Pada gambar di samping tampak struktur trimerik prefusi dari spike coronavirus. (a) Struktur trimerik spike mouse hepatitis coronavirus (MHV), dengan PDB ID yaitu 3JCL (Walls et al., 2016), tampak 3 monomer yang ditunjukkan dengan warna magenta, cyan, dan hijau. Pada gambar (b) tampak satu monomer dari spike trimerik MHV. Elemen fungsional yang penting pada spike diberi warna sesuai dengan fungsinya [S1 N-terminal domain (S1-NTD), S1 C-terminal domain (S1-CTD), fusion peptide (FP), dan heptad repeat region N (HR-N)]. Gambar gunting menandakan lokasi proteolysis.

     Spike coronavirus terdiri dari 3 segmen, yaitu ektodomain besar, single-pass transmembrane anchor, dan intracellular tail pendek (Gambar A). Ektodomain terdiri dari receptor-binding subunit S1 dan membrane-fusion subunit S2. Pengamatan dengan mikroskop elektron menunjukkan bahwa spike tersebut merupakan trimer yang berbentuk seperti cengkeh dengan tiga kepala S1 dan tangkai trimerik S2 (Kirchdoerfer et al., 2016). Pada saat virus akan memasuki sel host, S1 berikatan dengan reseptor pada permukaan sel host, dan S2 mengalami fusi antara membran sel host dengan membran virus yang memungkinkan genom virus memasuki sel host. Ikatan reseptor dan fusi membran merupakan langkah inisial dan penting, serta merupakan target untuk intervensi manusia (Fang, 2016). Struktur spike protein coronavirus berperan penting dalam mengenali dan berikatan dengan reseptor pada sel host.

Edit: 24 Maret 2020

Referensi:

• Chen, Q., Li, G., Stasko, J., Thomas, J. T., Stensland, W. R., Pillatzki, A. E., Gauger, P. C., Schwartz, K. J., Madson, D., Yoon, K. J., Stevenson, G. W., Burrough, E. R., Harmon, K. M., Main, R. G., Zhang, J. 2104. Isolation and characterization of porcine epidemic diarrhea viruses associated with the 2013 disease outbreak among swine in the United States. J Clin Microbiol. 52(1):234-43.
• Enjuanes, L., Almazán, F., Sola, I., Zuñiga, S. 2006. Biochemical aspects of coronavirus replication and virus-host interaction. Annu Rev Microbiol. 60:211-30.
• Graham, R. L., Baric, R. S. 2010. Recombination, reservoirs, and the modular spike: mechanisms of coronavirus cross-species transmission. J Virol. 84(7):3134-46.
• Kirchdoerfer, R. N., Cottrell, C. A., Wang, N., Pallesen, J., Yassine, H. M., Turner, H. L., Corbett, K. S., Graham, B. S., McLellan, J. S., Ward, A. B. 2016. Pre-fusion structure of a human coronavirus spike protein. Nature. 531(7592):118-21.
• Ksiazek, T. G., Erdman, D., Goldsmith, C. S., Zaki, S. R., Peret, T., Emery, S., Tong, S., Urbani, C., Comer, J. A., Lim, W., Rollin, P. E., Dowell, S. F., Ling, A. E., Humphrey, C. D., Shieh, W. J., Guarner, J., Paddock, C. D., Rota, P., Fields, B., DeRisi, J., Yang, J. Y., Cox, N., Hughes, J. M., LeDuc, J. W., Bellini, W. J., Anderson, L. J. 2003. A novel coronavirus associated with severe acute respiratory syndrome. N Engl J Med. 348(20):1953-66.
• Li, F. 2016. Structure, Function, and Evolution of Coronavirus Spike Proteins. Annual review of virology. 3(1):237–261.
• Walls, A. C., Tortorici, M. A., Bosch, B. J., Frenz, B., Rottier, P. J. M., DiMaio, F., Rey, F. A., Veesler, D. 2016. Cryo-electron microscopy structure of a coronavirus spike glycoprotein trimer. Nature. 531(7592):114-117.
• Zaki, A. M., van Boheemen, S., Bestebroer, T. M., Osterhaus, A. D., Fouchier, R. A. 2012. Isolation of a novel coronavirus from a man with pneumonia in Saudi Arabia. N Engl J Med. 8; 367(19):1814-20.