Coronaviridae

I Coronaviridae sono una famiglia di virus a singolo filamento di RNA con polarità positiva (ssRNA+) che infettano prevalentemente l'apparato respiratorio, dando raffreddori e infezioni stagionali delle alte vie respiratorie (naso, seni paranasale, faringe e laringe): alcuni virus (SARS-CoV, MERS-CoV e SARS-CoV-2) determinano invece gravi infezioni delle vie respiratorie basse - trachea, bronchi e polmoni - e hanno causato epidemie.

Tassonomia

I Coronaviridae sono suddivisi in due sottofamiglie, gli Orthocoronavirinae e gli Letovirinae: entrambe comprendono patogeni che infettano varie categorie di vertebrati (dai pesci ai mammiferi), ma solo gli Orthocoronavirinae sono in grado di infettare l'uomo.

Gli Orthocoronavirinae a loro volta comprendono quattro gruppi: Alphacoronavirus, Betacoronavirus, Gammacoronavirus e Deltacoronavirus. I primi due comprendono i virus di interesse umano.

Complessivamente i coronavirus che infettano l'uomo sono sette: due Alphacoronavirus (HCoV-NL63, HCoV-229E) e cinque Betacoronavirus (HCoV-OC43, HCoV-HKU1, MERS-CoV, SARS-CoV e SARS-CoV-2). HCoV-NL63, HCoV-229E, HCoV-OC43 e HCoV-HKU1 causano perlopiù raffreddori stagionali e lievi infezioni alle alte vie respiratorie, mentre MERS-CoV, SARS-CoV e SARS-CoV-2 hanno determinato epidemie di gravi infezioni alle basse vie respiratorie.

Questi sette virus hanno come serbatoio alcune popolazioni animali (in particolare pipistrelli e roditori) e che vengono occasionalmente trasmessi all'uomo dopo un contatto ravvicinato con un ospite intermedio a sua volta infettatosi: nel caso del SARS-CoV l'ospite intermedio era rappresentato dalla civetta delle palme mascherata, nel MERS-CoV da cammelli e dromedari, mentre per quanto riguarda il SARS-CoV-2 l'ospite intermedio non è stato ancora individuato definitivamente (anche se si ritiene che possa essersi trattato del pangolino).

Struttura

Struttura di un coronavirus

I coronavirus presentano un envelope costituito da un doppio strato fosfolipidico. All'envelope sono ancorate tre proteine:

• le proteine M e E sono proteine strutturali e danno la forma all'envelope. La proteina M ha un dominio esterno, uno transmembrana ed uno interno, ed è coinvolta nell'assemblamento delle subunità virali, nella gemmazione del virus e nelle prime fasi della patogenesi virale. La proteina E invece è una proteina integrale transmembrana coinvolta nella costruzione del virus e nel trafficking all'interno delle cellule infettate.
• le proteine spike sono delle proteine che sporgono dalla superficie virale, in numero di 74 circa per particella virale. Ogni spike è costituito da un trimero di proteina S, e ogni monomero di questa presenta una subunità S1, la "punta", contenente il dominio che permette il legame con la cellula, denominato receptor-binding domain (RBD) e una subunità S2 che viene attivata da delle proteasi dopo il contatto tra S1 e cellula bersaglio, e permette la fusione del virus con la membrana cellulare.

Genoma

Il genoma virale è rappresentato da un unico filamento di RNA a polarità positiva, lungo circa trentamila basi. Esso possiede un cap metilato all'estremità 5' e una coda poliadenilata al 3', permettendo un'immediata traduzione da parte dei ribosomi cellulari.

Ciclo virale

Legame con la cellula bersaglio

Ciclo replicativo del coronavirus

Il virus entra in contatto con la cellula tramite il legame tra l'RBD della proteina spike e una proteina di superficie cellulare: la più diffusa è l'ACE2, un enzima implicato nella regolazione ormonale della pressione sanguigna. L'ACE2 è una proteina espressa sulla membrana delle cellule di alcuni organi, come polmoni, cuore e intestino, utilizzata come bersaglio dai virus SARS-CoV, SARS-CoV-2 e dall'HCoV-NL63. Gli altri coronavirus utilizzano altre proteine bersaglio per legarsi alle cellule, ovvero la dipeptidil peptidasi (MERS-CoV), l'acido acetilsialico (HCoV-OC43 e HCoV-HKU1) e l'aminopeptidasi N (HCoV-229E).

Dopo il legame, un altro enzima di superficie (la serin proteasi TMPRSS2 nel caso del SARS-CoV-2) taglia sia l'ACE2 che la proteina spike, esponendo in quest'ultima il dominio di fusione presente a livello della subunità 2, il quale induce la formazione dell'endosoma e quindi l'entrata del virus nella cellula.

Successivamente, prima che il pH endosomiale raggiunga livelli eccessivi, il virione fuoriesce e libera il genoma all'interno del citoplasma cellulare, dando inizio alla replicazione e alla formazione di nuovi virioni.

Traduzione e replicazione del genoma

Dal genoma virale vengono tradotte due poliproteine, pp1a e pp1ab. Quest'ultima ha dimensioni maggiori, e la relativa sequenza è parzialmente sovrapposta alla precedente: le due proteine vengono tradotte in una stessa sequenza tramite ribosomal frameshift, che determina una traduzione continua che ignora le sequenze terminali grazie ad altre specifiche sequenze definite slippery ("scivolose"), come la sequenza UUUAAAC, per cui il ribosoma va avanti con la traduzione nonostante la sequenza terminale.

Le proliproteine comprendono alcune proteasi, nsp3 e nsp5, che tagliano le parti restanti. pp1a comprende una RNA-polimerasi RNA-dipendente (nsp12), una RNA elicasi (nsp13), e una esoribonucleasi (nsp14). La RNA-polimerasi virale partendo dall'RNA a polarità positiva virale provvederà alla trascrizione di una sequenza di RNA virale a polarità negativa, il quale fungerà poi da stampo per tutti i genomi virali dei nuovi virioni. Il complesso replicativo-trascrittivo virale può contribuire alla ricombinazione genica dei coronavirus, nel caso due particelle virali infettino la medesima cellula: esse possono scambiarsi sequenze specifiche in maniera più o meno diretta, secondo meccanismi i cui dettagli sono ancora in fase di studio.

Assemblaggio e rilascio dei virioni

Le proteine S, E ed M prodotte nel citoplasma vengono indirizzate all'apparato di Golgi della cellula, e i virioni vengono assemblati secondo interazioni specifiche tra le proteine M. Una volta completati, i virioni vengono rilasciati all'esterno della cellula tramite esocitosi.

Origine

Si ritiene che i coronavirus odierni derivino tutti da un antenato comune, risalente all'8000 a.C. circa, da cui poi sarebbero originati gli Alphacoronavirus (2400 a.C.), i Betacoronavirus (3300 a.C.) e i Deltacoronavirus (2800 a.C.). Storicamente, i principali serbatoi virali sono stati rappresentati da animali volanti a sangue caldo, come pipistrelli (per Alphacoronavirus e Betacoronavirus) e uccelli (Gammacoronavirus e Deltacoronavirus).

Dai pipistrelli sarebbero originati la quasi totalità dei coronavirus di interesse umano. Come già accennato, prima di arrivare all'uomo questi coronavirus sarebbero passati per un ospite intermedio: quelli identificati sono la civetta delle palme per il SARS-CoV, cammelli e dromedari per MERS-CoV e pangolino (si presume) per il SARS-CoV-2. Un caso a parte riguarda l'HCoV-OC43, che sarebbe originato nei roditori e sarebbe successivamente passato ai bovini e quindi all'uomo.

Filogenesi e analisi delle sequenze genetiche

La ricostruzione dell'origine dei coronavirus si basa sull'analisi dell'evoluzione dei loro geni. Il virus Bat-RaTG13, rinvenuto nel 2013 in alcuni pipistrelli Rhinolophus affinis in una colonia dello Yunnan (Cina), possiede una sequenza compatibile al 96.2% con quella del SARS-CoV-2 e viene ritenuto il suo parente più prossimo.

Questi due virus tuttavia differiscono in maniera sostanziale a livello della proteina spike, in particolare per quanto riguarda il recettore per l'ACE2 (RBD), una sequenza di 5 aminoacidi. La sequenza presente nel SARS-CoV-2 risulta invece simile a quella del coronavirus che circola nei pangolini, che quindi avrebbero un ruolo nell'evoluzione del virus all'uomo. A livello della subunità S2, invece, una sequenza di 4 aminoacidi che determina la fusione tra membrana cellulare e particella virale sembra compaia solo nel virus umano: questa rappresenterebbe il passaggio chiave che a portato alla nascita del SARS-CoV-2, alla sua trasmissione all'uomo e allo scoppio della pandemia da COVID-19.