Pemicu Fusi Membran oleh Spike Protein (S-Protein) Coronavirus
Pemicu spike protein coronavirus untuk
mengalami transisi konformasi menunjukkan pola yang lebih kompleks dibandingkan
dengan protein fusi membran kelas I lainnya, mungkin disebabkan karena fitur yang
unik pada strukturnya. Spike protein coronavirus seringkali mengalami
proteolisis saat proses masuknya virus ke dalam sel, dan kadang hal ini terjadi
setelah terjadinya ikatan dengan reseptor. Dengan demikian, proteolisis dapat
mengarahkan langsung ke fusi membran sehingga berfungsi sebagai pemicu penting
untuk fusi membran (Belouzard et al.,
2012). Protease inang yang memutus spike protein coronavirus utamaanya berasal
dari empat fase siklus infeksi virus: (a) proprotein convertase (misalnya
furin) selama pengemasan virus di dalam sel yang memproduksi virus, (b)
protease ekstraseluler (misalnya elastase) setelah virus diepaskan ke ruang
ekstraseluler, (c) protease permukaan sel (misalnya type II transmembrane
serine protease – TMPRSS2) setelah virus berikatan dengan sel target, dan (d)
protease lisosom (misalnya cathepsin L dan cathepsin B) setelah virus mengalami
endositosis pada sel target (Millet & Whittaker, 2015). Sebagai tambahan
selain proteolisis, pemicu tradisional seperti pengikatan reseptor dan pH yang
rendah mungin berperan dalam fusi membran.
![]() |
Gambar 1. Fusi membran pada coronavirus dipicu oleh pemotongan protein spike, gunting mengindikasikan aktivitas protease pada berbagai fase virus |
Penelitian yang dilakukan pada mekanisme
masuknya SARS-CoV ke dalam sel telah memberikan penemuan baru. Pertama, protein
spike SARS-CoV tidak dipotong oleh proprotein convertase selama pengemasan
virus sehingga masih intak pada virion yang sudah mengalami maturasi (Song et al., 2004). Namun, SARS-CoV masuk ke
dalam sel inang melalui endositosis, dan protein spikenya diproses oleh
protease lisosom (misalnya cathepsin L dan cathepsin B) (Simmons et al., 2005). Hal ini didukung dengan
pengamatan bahwa penghambatan asidifikasi endosomal atau sistein protease
lisosom mencegah masukya SARS-CoV ke dalam sel. Namun, pH yang rendah bukan
merupakan pemicu masuknya virus ke dalam sel. Hal ini didukung dengan
pengamatan bahwa ketika fusion peptide diekspresikan pada permukaan sel dan
dipotong oleh protease eksogen, protein spike SARS-CoV dapat memediasi fusi membran
virus pada sel yang mengekspresikan ACE2 pada kondisi pH netral (Simmons et al., 2004). Sehingga, peran pH yang
rendah pada masuknya SARS-CoV ke dalam sel adalah dengan mengaktifkan protease
lisosom, yang kemudian akan mengaktifkan spike SARS-CoV untuk fusi membran. Hal
ini berbeda dengan HA pada virus influenza, yang diaktivasi melalui ikatan
proton pada lingkungan pH rendah di dalam endosome. Kedua, baik protease
ekstraseluler (misalnya elastase pada saluran pernapasan) dan protease
permukaan sel (misalnya TMPRSS2 pada permukaan sel pneumosit) juga mengaktivasi
protein spike SARS-CoV untuk fusi membran (Glowacka, 2011). Oleh karena tropisme sel dan jaringan, protease
tersebut sepertinya berkontribusi terhadap tropisme SARS-CoV pada saluran
pernapasan dan sel pneumosit. Ketiga, sebagai tambahan dari lokasi pemotongan
pada batas S1/S2, lokasi kedua, S2’ telah diidentifikasi pada ujung amin- (N
terminus) dari fusion peptide pada S2 (Beluozard et al., 2009).
Pemotongan pada batas S1/S2 menghilangkan batas struktural dari S1, sedangkan
pemotongan pada S2’ melepaskan fusion peptide internal untuk bergabung dengan
membran target. Keempat, masih belum jelas apakah ikatan dengan reseptor ACE2 merupakan
pemicu dari protein spike SARS-CoV untuk fusi membran. Dua studi menggunakan
miskroskop elektron bahwa tidak atau sedikit terjadi perubahan konformasi dari
protein spike SARS-CoV berkaitan ikatan dengan reseptor ACE2 (Beniac et al.,
2007). Namun, studi lain menunjukkan adanya perubahan konformasi pada protein
spike SARS-CoV, yang sebelumya terekspos protease kriptik pada lokasi
pemotongan (Simmons et al., 2013). Peran ikatan ACE2 pada fusi membran
masih perlu dilakuakn penelitian lebih lanjut. Namun, masuknya SARS-CoV tidak
bergantung pada rendahnya pH, akan tetapi sedikitnya membutuhkan dua pemotongan
protease pada protein spike oleh protease lisosom, protease ekstraseluler, atau
protease permukaan sel.
Secara keseluruhan,
mekanisme masuknya MERS-CoV sama dengan masuknya SARS-CoV. Seperti halnya protein
spike SARS-CoV, protein spike MERS-CoV harus dipotong pada kedua lokasi baik
pada batas S1/S2 dan S2’ oleh protease agar terjadi fusi membran (Millet &
Whittaker, 2014). MERS-CoV juga masuk ke dalam sel melalui endositosis dan
diaktivasi oleh sistein protease lisosom untuk fusi membran. Selainn, itu
protease ekstraseluler dan protease permukaan sel juga berperan dalam aktvasi masuknya
virus ke dalam sel (Qian et al., 2013). Tidak seperti SARS-CoV, protein
spike MERS-CoV dipotong oleh proprotein convertase inang selama pengemasan
virus. Uniknya, meskipun mengenali reseptor DPP4 yang sama, MERS-CoV dan HKU4
berbeda dalam aktivitasnya untuk memediasi masuknya virus: HKU4 memediasi
masuknya virus ke dalam sel kelelawar tetapi tidak pada sel manusia, sedangkan
MERS-CoV memediasi masuknya virus baik ke dalam sel manusia maupun kelelawar
(Yang et al., 2015). Terdapat dua perbedaan residu yang telah
diidentifikasi antara protein spike MERS-CoV dan HKU4 yang berperan terhadap
perbedaan fungsinya, dimana pada MERS-CoV dapat diaktivasi oleh proprotein convertase
pada manusia dan sistein protease lisosom. Dengan demikian, dua mutasi berperan
penting dalam transmisi MERS-CoV dari reservoir alamiah kelelawar kepada
manusia, baik secara langsung maupun melalui intermediasi inang unta. Pada sisi
lain, protein spike HKU4 dapat diaktivasi oleh protease lisosom kelelawar tetapi
tidak oleh protease lisosom manusia, menunjukkan bahwa protease lisosom
kelelawar dan manusia memproses protein spike virus secara berbeda. Studi
mengenai masuknya MERS-CoV menunjukkan bahwa perbedaan aktivitas pada protease
yang memotong spike coronavirus dari inang yang berbeda dapat menjadi penghalang
bagi transmisi antar spesies (Li, 2016).
Secara ringkas, protease
merupakan pemicu esensial pada protein spike coronavirus untuk fusi membran,
karena pemotongan pada batas S1/S2 dan lokasi S2’ dapat menghilangkan hambatan
struktural dari S1 pada S2 dan melepaskan fusion peptide internal. Diantara
protease inang, protease lisosom memberikan sumber yang paling dapat berperan
dalam pemrosesan protein spike karena jumlahnya yang banyak dan terdapat pada
berbagai macam tipe sel. Ketersediaan beberapa protease lainnya (misalnya
proprotein convertase, protease ekstraseluler, dan protease permukaan sel)
berganutng dari jenis sel dan jaringan, mengatur tropisme jaringan dari
coronavirus. Lebih lanjut, aktivitas protease dari inang yang berbeda dapat
berlainan, mengatur jangkauan inang dari coronavirus. Beberapa faktor pemicu
masuknya coronavirus (misalnya ikatan reseptor dan pH yang rendah) mungkin
bergantung pada spesifisitas atau strain yang berbeda dari coronavirus. Secara
keseluruhan, tujuan dari pemicu fusi membran ini adalah melawan pembatas energi
untuk melakukan transisi konformasi pada protein spike.
Edit: 05 April 2020
Referensi:
- Belouzard, S., Chu, V. C., Whittaker, G. R. 2009. Activation
of the SARS coronavirus spike protein via sequential proteolytic cleavage at
two distinct sites. Proc Natl Acad Sci USA. 106(14):5871-6.
- 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.
- Beniac, D. R., deVarennes, S. L., Andonov, A., He, R., Booth, T. F. 2007. Conformational reorganization of the SARS coronavirus spike following receptor binding: implications for membrane fusion. PLoS One. 2(10):e1082.
- Glowacka, I., Bertram, S., Müller, M. A., Allen, P., Soilleux, E., Pfefferle, S., Steffen, I., Tsegaye, T. S., He, Y., Gnirss, K., Niemeyer, D., Schneider, H., Drosten, C., Pöhlmann, S. 2011. Evidence that TMPRSS2 activates the severe acute respiratory syndrome coronavirus spike protein for membrane fusion and reduces viral control by the humoral immune response. J Virol. 85(9):4122-34.
- Li, F. 2016. Structure, function, and evolution of coronavirus spike proteins. Annu Rev Virol. 3(1):237–261.
- Matsuyama, S., Taguchi, F. 2002. Receptor-induced conformational changes of murine coronavirus spike protein. J Virol. 76(23):11819-26.
- Millet, J. K., Whittaker, G. R. 2014. Host cell entry of Middle East respiratory syndrome coronavirus after two-step, furin-mediated activation of the spike protein. Proc Natl Acad Sci USA. 111(42):15214-9.
- Millet, J. K., Whittaker, G. R. 2015. Host cell proteases: Critical determinants of coronavirus tropism and pathogenesis. Virus Res. 202():120-34.
- Nakagaki, K., Nakagaki, K., Taguchi, F. 2005. Receptor-independent spread of a highly neurotropic murine coronavirus JHMV strain from initially infected microglial cells in mixed neural cultures. J Virol. 79(10):6102-10.
- Ontiveros, E., Kim, T. S., Gallagher, T. M., Perlman, S. 2003. Enhanced virulence mediated by the murine coronavirus, mouse hepatitis virus strain JHM, is associated with a glycine at residue 310 of the spike glycoprotein. J Virol. 77(19):10260-9.
- Simmons, G., Gosalia, D. N., Rennekamp, A. J., Reeves, J. D., Diamond, S. L., Bates, P. 2005. Inhibitors of cathepsin L prevent severe acute respiratory syndrome coronavirus entry. Proc Natl Acad Sci USA. 102(33):11876-81.
- Simmons, G., Reeves, J. D., Rennekamp, A. J., Amberg, S. M., Piefer, A. J., Bates, P. 2004. Characterization of severe acute respiratory syndrome-associated coronavirus (SARS-CoV) spike glycoprotein-mediated viral entry. Proc Natl Acad Sci U S A. 101(12):4240-5.
- Simmons, G., Zmora, P., Gierer, S., Heurich, A., Pöhlmann, S. 2013. Proteolytic activation of the SARS-coronavirus spike protein: cutting enzymes at the cutting edge of antiviral research. Antiviral Res. 100(3):605-14.
- Song, H. C., Seo, M. Y., Stadler, K., Yoo, B. J., Choo, Q. L., Coates,
S. R., Uematsu, Y., Harada, T., Greer, C. E., Polo, J. M., Pileri, P., Eickmann,
M., Rappuoli, R., Abrignani, S., Houghton, M., Han, J. H. 2004. Synthesis
and characterization of a native, oligomeric form of recombinant severe acute
respiratory syndrome coronavirus spike glycoprotein. J Virol. 78(19):10328-35.
- Spaan, W., Cavanagh, D., Horzinek, M. C. 1988. Coronaviruses: structure and genome expression. J Gen Virol. 69 (12):2939-52.
- Qian, Z., Dominguez, S. R., Holmes, K. V. 2013. Role of the spike glycoprotein of human Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) in virus entry and syncytia formation. PLoS One. 8(10):e76469.
- Yang, Y., Liu, C., Du, L., Jiang, S., Shi, Z., Baric, R. S., Li, F. 2015. Two Mutations Were Critical for Bat-to-Human Transmission of Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus. J Virol. 89(17):9119-23.
- Zelus, B. D., Schickli, J. H., Blau, D. M., Weiss, S. R., Holmes, K. V. 2003. Conformational changes in the spike glycoprotein of murine coronavirus are induced at 37 degrees C either by soluble murine CEACAM1 receptors or by pH 8. J Virol. 77(2):830-40.
No comments
Tulis komentar Anda...