БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 12, с. 2046–2064

УДК 578.834.1;616.9

Биология коронавируса SARS-CoV-2

Обзор

© 2022 Р.Н. Мингалеева 1*rimma.mingaleeva@gmail.com, Н.А. Нигматулина 2, Л.М. Шарафетдинова 1, А.М. Ромозанова 1, А.Г. Габдулхакова 1, Ю.В. Филина 1, Р.Ф. Шавалиев 2, А.А. Ризванов 1, Р.Р. Мифтахова 1

Казанский (Приволжский) федеральный университет, 420008 Казань, Россия

Республиканская клиническая больница Министерства здравоохранения Республики Татарстан, 420064 Казань, Россия

Поступила в редакцию 13.07.2022
После доработки 05.10.2022
Принята к публикации 17.10.2022

DOI: 10.31857/S032097252212020X

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: SARS-CoV-2, Covid-19, S-белок, мутация, VOC.

Статья на английском языке опубликована в режиме Open Access (открытого доступа) на сайте издательства Springer. DOI: 10.1134/S0006297922120215.

Аннотация

Новая коронавирусная инфекция Covid‑19, возникшая в конце 2019 г. в Китае, вызвала сильнейший социальный и экономический кризис, затронувший весь мир. Высокая частота ошибок в репликации РНК-вирусов, зоонозный характер передачи, высокая трансмиссивность позволили бета-коронавирусам вызвать уже третью пандемию в мире с начала 2003 г.: SARS‑CoV – в 2003 г, MERS‑CoV – в 2012 г и SARS‑CoV‑2 – в 2019 г. Последняя пандемия объединила научное сообщество и послужила мощным толчком в изучении биологии коронавирусов: были выявлены новые пути проникновения вируса в организм человека, изучены особенности репликативного цикла, выявлены новые функции белков коронавируса. Стоит учитывать, что пандемия сопровождалась необходимостью в получении и публикации результатов в короткие сроки, что привело к появлению массива противоречивых данных и низкой воспроизводимости результатов исследований. Нами была систематизирована и проанализирована научная литература, проведена фильтрация результатов по достоверности применяемых методов анализа и подготовлен обзор, описывающий молекулярные механизмы функционирования коронавируса SARS‑CoV‑2. В работе рассмотрена организация генома вируса SARS‑CoV‑2, механизмы экспрессии его генов и входа вируса в клетку, приведена информация по ключевым мутациям, характеризующим разные варианты вируса, и их вклад в патогенез заболевания.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена в рамках Программы стратегического академического лидерства Казанского (Приволжского) федерального университета.

Вклад авторов

Мифтахова Р.Р., Ризванов А.А., Шавалиев Р.Ф. – концепция и структура работы и редактирование текста; Мингалеева Р.Н., Нигматулина Н.А., Шарафетдинова Л.М., Ромозанова А.М., Габдулхакова А.Г., Филина Ю.В. – анализ литературы, написание текста; подготовка иллюстраций.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Дополнительная информация

Рисунки, представленные в обзоре, выполнены с использованием сайта https://biorender.com.

Список литературы

1. Reagan, R. L., Yancey, F., and Brueckner, A. L. (1955) Studies of the avian infectious bronchitis virus (wachtel strain) in the cynomolgus monkey, Poultry Sci., 34, 1448, doi: 10.3382/ps.0341448.

2. Alharbi, S. N., and Alrefaei, A. F. (2021) Comparison of the SARS-CoV-2 (2019-nCoV) M protein with its counterparts of SARS-CoV and MERS-CoV species, J. King Saud. Univ. Sci., 33, 101335, doi: 10.1016/j.jksus.2020.101335.

3. Paul, D., Kolar, P., and Hall, S. G. (2021) A review of the impact of environmental factors on the fate and transport of coronaviruses in aqueous environments, npj Clean Water, 4, 7, doi: 10.1038/s41545-020-00096-w.

4. Chan, T., Klaus, J., Meli, M. L., and Hofmann-Lehmann, R. (2021) SARS-CoV-2 infections in cats, dogs, and other animal species: Findings on infection and data from Switzerland, Schweiz Arch. Tierheilkd, 163, 821-835, doi: 10.17236/sat00329.

5. Guan, Y., Zheng, B. J., He, Y. Q., Liu, X. L., Zhuang, Z. X., et al. (2003) Isolation and characterization of viruses related to the SARS coronavirus from animals in southern China, Science, 302, 276-278, doi: 10.1126/science.1087139.

6. Zhu, Z., Lian, X., Su, X., Wu, W., Marraro, et al. (2020) From SARS and MERS to COVID-19: a brief summary and comparison of severe acute respiratory infections caused by three highly pathogenic human coronaviruses, Respiratory Res., 21, 224, doi: 10.1186/s12931-020-01479-w.

7. Li, X., Giorgi, E. E., Marichannegowda, M. H., Foley, B., Xiao, C., et al. (2020) Emergence of SARS-CoV-2 through recombination and strong purifying selection, Sci. Adv., 6, doi: 10.1126/sciadv.abb9153.

8. Hassanin, A., Rambaud, O., and Klein, D. (2022) Genomic Bootstrap Barcodes and Their Application to Study the Evolution of Sarbecoviruses, 14, 440, doi: 10.3390/v14020440.

9. He, B., Li, Z., Yang, F., Zheng, J., Feng, Y., et al. (2013) Virome profiling of bats from Myanmar by metagenomic analysis of tissue samples reveals more novel mammalian viruses, PLoS One, 8, e61950, doi: 10.1371/journal.pone.0061950.

10. Millet, J. K., Jaimes, J. A., and Whittaker, G. R. (2021) Molecular diversity of coronavirus host cell entry receptors, FEMS Microbiol. Rev., 45, fuaa057, doi: 10.1093/femsre/fuaa057.

11. Gómez, C. E., Perdiguero, B., and Esteban, M. (2021) Emerging SARS-CoV-2 variants and impact in global vaccination programs against SARS-CoV-2/COVID-19, Vaccines (Basel), 9, 243, doi: 10.3390/vaccines9030243.

12. Bai, Z., Cao, Y., Liu, W., and Li, J. (2021) The SARS-CoV-2 nucleocapsid protein and its role in viral structure, biological functions, and a potential target for drug or vaccine mitigation, Viruses, 13, 1115, doi: 10.3390/v13061115.

13. Liu, D. X., Liang, J. Q., and Fung, T. S. (2021) Human coronavirus-229E, -OC43, -NL63, and -HKU1 (Coronaviridae), Encyclopedia of Virology, 428-440, doi: 10.1016/B978-0-12-809633-8.21501-X.

14. Schoeman, D., and Fielding, B. C. (2019) Coronavirus envelope protein: current knowledge, Virol. J., 16, 69, doi: 10.1186/s12985-019-1182-0.

15. Malone, B., Urakova, N., Snijder, E.J. et al. . (2022) Structures and functions of coronavirus replication–transcription complexes and their relevance for SARS-CoV-2 drug design., Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 23, 21-39, doi: 10.1038/s41580-021-00432-z.

16. Maclachlan, N. J., and Dubovi, E. J. (2016) Fenner’s Veterinary Virology, Academic press.

17. Redondo, N., Zaldívar-López, S., Garrido, J. J., and Montoya, M. (2021) SARS-CoV-2 accessory proteins in viral pathogenesis: knowns and unknowns, Frontiers in Immunology, 12, doi: 10.3389/fimmu.2021.708264.

18. Kim, D., Lee, J.-Y., Yang, J.-S., Kim, J. W., Kim, V. N., et al. (2020) The architecture of SARS-CoV-2 transcriptome, Cell, 181, 914-921.e910, doi: 10.1016/j.cell.2020.04.011.

19. Báez-Santos, Y. M., St John, S. E., and Mesecar, A. D. (2015) The SARS-coronavirus papain-like protease: structure, function and inhibition by designed antiviral compounds, Antiviral Res., 115, 21-38, doi: 10.1016/j.antiviral.2014.12.015.

20. Angelini, M. M., Akhlaghpour, M., Neuman, B. W., and Buchmeier, M. J. (2013) Severe acute respiratory syndrome coronavirus nonstructural proteins 3, 4, and 6 induce double-membrane vesicles, mBio, 4, e00524-13, doi: 10.1128/mBio.00524-13.

21. Wolff, G., Melia, C. E., Snijder, E. J., and Bárcena, M. (2020) Double-membrane vesicles as platforms for viral replication, Trends Microbiol., 28, 1022-1033, doi: 10.1016/j.tim.2020.05.009.

22. Medina-Enríquez, M. M., Lopez-León, S., Carlos-Escalante, J. A., Aponte-Torres, Z., Cuapio, A., et al. (2020) ACE2: the molecular doorway to SARS-CoV-2, Cell Biosci., 10, 148, doi: 10.1186/s13578-020-00519-8.

23. V’kovski, P., Kratzel, A., Steiner, S., Stalder, H., and Thiel, V. (2021) Coronavirus biology and replication: implications for SARS-CoV-2, Nat. Rev. Microbiol., 19, 155-170, doi: 10.1038/s41579-020-00468-6.

24. Xia, B., and Kang, X. (2011) Activation and maturation of SARS-CoV main protease, Protein Cell, 2, 282-290, doi: 10.1007/s13238-011-1034-1.

25. Yang, Y., Hussain, S., Wang, H., Ke, M., and Guo, D. (2009) Translational control of the subgenomic RNAs of severe acute respiratory syndrome coronavirus, Virus Genes, 39, 10-18, doi: 10.1007/s11262-009-0357-y.

26. Brant, A. C., Tian, W., Majerciak, V., Yang, W., and Zheng, Z.-M. (2021) SARS-CoV-2: from its discovery to genome structure, transcription, and replication, Cell Biosci., 11, 136, doi: 10.1186/s13578-021-00643-z.

27. Denison, M. R., Graham, R. L., Donaldson, E. F., Eckerle, L. D., and Baric, R. S. (2011) Coronaviruses: an RNA proofreading machine regulates replication fidelity and diversity, RNA Biol., 8, 270-279, doi: 10.4161/rna.8.2.15013.

28. Kirchdoerfer, R. N., and Ward, A. B. (2019) Structure of the SARS-CoV nsp12 polymerase bound to nsp7 and nsp8 co-factors, Nat. Commun., 10, 2342, doi: 10.1038/s41467-019-10280-3.

29. Rona, G., Zeke, A., Miwatani-Minter, B., de Vries, M., Kaur, R., et al. (2021) The NSP14/NSP10 RNA repair complex as a Pan-coronavirus therapeutic target, Cell Death Differ., 29, 285-292, doi: 10.1038/s41418-021-00900-1.

30. Sola, I., Almazán, F., Zúñiga, S., and Enjuanes, L. (2015) Continuous and discontinuous RNA synthesis in coronaviruses, Annu. Rev. Virol., 2, 265-288, doi: 10.1146/annurev-virology-100114-055218.

31. Hussain, S., Pan, J., Chen, Y., Yang, Y., Xu, J., et al. (2005) Identification of novel subgenomic RNAs and noncanonical transcription initiation signals of severe acute respiratory syndrome coronavirus, J. Virol., 79, 5288-5295, doi: 10.1128/JVI.79.9.5288-5295.2005.

32. Nomburg, J., Meyerson, M., and DeCaprio, J. A. (2020) Pervasive generation of non-canonical subgenomic RNAs by SARS-CoV-2, Genome Med., 12, 108, doi: 10.1186/s13073-020-00802-w.

33. Leary, S., Gaudieri, S., Parker, M. D., Chopra, A., James, I., et al. (2021) Generation of a novel SARS-CoV-2 sub-genomic RNA due to the R203K/G204R variant in nucleocapsid: homologous recombination has potential to change SARS-CoV-2 at both protein and RNA level, bioRxiv, doi: 10.1101/2020.04.10.029454.

34. Davidson, A. D., Williamson, M. K., Lewis, S., Shoemark, D., Carroll, M. W., et al. (2020) Characterisation of the transcriptome and proteome of SARS-CoV-2 reveals a cell passage induced in-frame deletion of the furin-like cleavage site from the spike glycoprotein, Genome Med., 12, 68, doi: 10.1186/s13073-020-00763-0.

35. Wang, D., Jiang, A., Feng, J., Li, G., Guo, D., et al. (2021) The SARS-CoV-2 subgenome landscape and its novel regulatory features, Mol. Cell, 81, 2135-2147.e5, doi: 10.1016/j.molcel.2021.02.036.

36. Kolb, A. F., Hegyi, A., and Siddell, S. G. (1997) Identification of residues critical for the human coronavirus 229E receptor function of human aminopeptidase N, J. Gen. Virol., 78 (Pt 11), 2795-2802, doi: 10.1099/0022-1317-78-11-2795.

37. Jackson, C. B., Farzan, M., Chen, B., and Choe, H. (2022) Mechanisms of SARS-CoV-2 entry into cells, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 23, 3-20, doi: 10.1038/s41580-021-00418-x.

38. Chan, Y. A. Z., Shing Hei (2022) The emergence of the spike furin cleavage site in SARS-CoV-2, Mol. Biol. Evol., 39, msab327, doi: 10.1093/molbev/msab327.

39. Stevens, C. S. O., Kasopefoluwa Y., and Lee, B. (2021) Proteases and variants: context matters for SARS-CoV-2 entry assays, Curr. Opin. Virol., 50, 49–58, doi: 10.1016/j.coviro.2021.07.004.

40. Kumar, S., Thambiraja, T. S., Karuppanan, K., and Subramaniam, G. (2022) Omicron and Delta variant of SARS‐CoV‐2: a comparative computational study of spike protein, J. Med. Virol., 94, 1641-1649, doi: 10.1002/jmv.27526.

41. Gangavarapu, K., Latif, A. A., Mullen, J. L., Alkuzweny, M., Hufbauer, E., et al. (2022) Outbreak.info genomic reports: scalable and dynamic surveillance of SARS-CoV-2 variants and mutations, medRxiv, doi: 10.1101/2022.01.27.22269965.

42. Desingu, P. A., Nagarajan, K., and Dhama, K. (2022) Emergence of Omicron third lineage BA. 3 and its importance, J. Med. Virol., 94, 1808-1810, doi: 10.1002/jmv.27601.

43. McCallum, M., De Marco, A., Lempp, F. A., Tortorici, M. A., Pinto, D., et al. (2021) N-terminal domain antigenic mapping reveals a site of vulnerability for SARS-CoV-2, Cell, 184, 2332-2347.e16, doi: 10.1016/j.cell.2021.03.028.

44. Pastorio, C., Zech, F., Noettger, S., Jung, C., Jacob, T., et al. (2022) Determinants of spike infectivity, processing and neutralization in SARS-CoV-2 Omicron subvariants BA.1 and BA.2, bioRxiv, doi: 10.1101/2022.04.13.488221.

45. Harvey, W. T., Carabelli, A. M., Jackson, B., Gupta, R. K., Thomson, E. C., et al. (2021) SARS-CoV-2 variants, spike mutations and immune escape, Nat. Rev. Microbiol., 19, 409-424, doi: 10.1038/s41579-021-00573-0.

46. Kumar, S., Karuppanan, K., and Subramaniam, G. (2022) Omicron (BA. 1) and sub-variants (BA.1, BA.2 and BA.3) of SARS-CoV-2 Spike infectivity and pathogenicity: a comparative sequence and structural-based computational assessment, bioRxiv, doi: 10.1101/2022.02.11.480029.

47. Starr, T. N., Greaney, A. J., Addetia, A., Hannon, W. W., Choudhary, M. C., et al. (2021) Prospective mapping of viral mutations that escape antibodies used to treat COVID-19, Science, 371, 850-854, doi: 10.1126/science.abf9302.

48. Liu, Z., VanBlargan, L. A., Bloyet, L.-M., Rothlauf, P. W., Chen, R. E., et al. (2021) Identification of SARS-CoV-2 spike mutations that attenuate monoclonal and serum antibody neutralization, Cell Host Microbe, 29, 477-488.e4, doi: 10.1016/j.chom.2021.01.014.

49. Wright, D. W., Harvey, W. T., Hughes, J., Cox, M., Peacock, T. P., et al. (2022) Tracking SARS-CoV-2 mutations and variants through the COG-UK-mutation explorer, Virus Evol., 8, veac023, doi: 10.1093/ve/veac023.

50. Ozono, S., Zhang, Y., Ode, H., Sano, K., Tan, T. S., et al. (2021) SARS-CoV-2 D614G spike mutation increases entry efficiency with enhanced ACE2-binding affinity, Nat. Commun., 12, 848, doi: 10.1038/s41467-021-21118-2.

51. Majumdar, P., and Niyogi, S. (2021) SARS-CoV-2 mutations: The biological trackway towards viral fitness, Epidemiol. Infect., 149, e110, doi: 10.1017/S0950268821001060.

52. Morais, I. J., Polveiro, R. C., Souza, G. M., Bortolin, D. I., Sassaki, F. T., et al. (2020) The global population of SARS-CoV-2 is composed of six major subtypes, Sci. Rep., 10, 18289, doi: 10.1038/s41598-020-74050-8.

53. Zhang, J., Cai, Y., Xiao, T., Lu, J., Peng, H., et al. (2021) Structural impact on SARS-CoV-2 spike protein by D614G substitution, Science, 372, 525-530, doi: 10.1126/science.abf2303.

54. Korber, B., Fischer, W. M., Gnanakaran, S., Yoon, H., Theiler, J., et al. (2020) Tracking changes in SARS-CoV-2 spike: evidence that D614G increases infectivity of the COVID-19 virus, Cell, 182, 812-827.e19, doi: 10.1016/j.cell.2020.06.043.

55. Zhang, J., Xiao, T., Cai, Y., Lavine, C. L., Peng, H., et al. (2021) Membrane fusion and immune evasion by the spike protein of SARS-CoV-2 Delta variant, Science, 374, 1353-1360, doi: 10.1126/science.eabl9463.

56. Planas, D., Veyer, D., Baidaliuk, A., Staropoli, I., Guivel-Benhassine, F., et al. (2021) Reduced sensitivity of SARS-CoV-2 variant Delta to antibody neutralization, Nature, 596, 276-280, doi: 10.1038/s41586-021-03777-9.

57. Lopez Bernal, J., Andrews, N., Gower, C., Gallagher, E., Simmons, R., et al. (2021) Effectiveness of Covid-19 vaccines against the B.1.617.2 (Delta) variant, N. Engl. J. Med., 385, 585-594, doi: 10.1056/NEJMoa2108891.

58. Shen, X. (2022) Boosting immunity to Omicron, Nat. Med., 28, 445-446, doi: 10.1038/s41591-022-01727-0.

59. Nishiura, H., Ito, K., Anzai, A., Kobayashi, T., Piantham, C., et al. (2021) Relative reproduction number of SARS-CoV-2 Omicron (B.1.1.529) compared with Delta variant in South Africa, J. Clin. Med., 11, 30, doi: 10.3390/jcm11010030.

60. Venkatakrishnan, A., Anand, P., Lenehan, P. J., Suratekar, R., Raghunathan, B., et al. (2021) Omicron variant of SARS-CoV-2 harbors a unique insertion mutation of putative viral or human genomic origin, OSF Preprints, doi: 10.31219/osf.io/f7txy.

61. Abbas, Q., Kusakin, A., Sharrouf, K., Jyakhwo, S., and Komissarov, A. S. (2022) Follow-up investigation and detailed mutational characterization of the SARS-CoV-2 Omicron variant lineages (BA.1, BA.2, BA.3 and BA.1.1), bioRxiv, doi: 10.1101/2022.02.25.481941.

62. Pan, T., Chen, R., He, X., Yuan, Y., Deng, X., et al. (2021) Infection of wild-type mice by SARS-CoV-2 B.1.351 variant indicates a possible novel cross-species transmission route, Signal Transduct. Target. Ther., 6, 420, doi: 10.1038/s41392-021-00848-1.

63. Xu, Z., Liu, K., and Gao, G. F. (2022) Omicron variant of SARS-CoV-2 imposes a new challenge for the global public health, Biosaf. Health, 4, 147-149, doi: 10.1016/j.bsheal.2022.01.002.

64. Tegally, H., Moir, M., Everatt, J., Giovanetti, M., Scheepers, C., et al. (2022) Emergence of SARS-CoV-2 Omicron lineages BA.4 and BA.5 in South Africa, Nat. Med., 28, 1785-1790, doi: 10.1038/s41591-022-01911-2.

65. Pedro, N., Silva, C. N., Magalhães, A. C., Cavadas, B., Rocha, A. M., et al. (2021) Dynamics of a dual SARS-CoV-2 lineage co-infection on a prolonged viral shedding COVID-19 case: insights into clinical severity and disease duration, Microorganisms, 9, 300, doi: 10.3390/microorganisms9020300.

66. Focosi, D., and Maggi, F. (2022) Recombination in coronaviruses with a focus on SARS-CoV-2, Viruses, 14, 1239, doi: 10.3390/v14061239.

67. Yamasoba, D., Kimura, I., Nasser, H., Morioka, Y., Nao, N., et al. (2022) Virological characteristics of SARS-CoV-2 Omicron BA.2 spike, Cell, 185, 2103-2115.e19, doi: 10.1016/j.cell.2022.04.035.