Virüsün Biyolojik Geçmişi

COVID-2019 pandemisinden önce de farklı koronavirüslerin (CoV) insanları enfekte ettiği bilinmektedir. İnsanlarda farklı derecelerde enfeksiyona neden olan virüsler mevcuttur. Sadece hafif üst solunum yolu hastalığına neden olan CoV: HCoV ‐ 229E, HCoV ‐ OC43, HCoV ‐ NL63 ve HKU1 olarak gözlemlenmiştir. SARS ve MERS gibi ciddi solunum yolu enfeksiyonuna neden olan ve alt solunum yollarını enfekte edebilen CoV:  SARS ‐ CoV ve MERS ‐ CoV’dur (Chen vd. 2020). 

2019'un sonlarında, Çin'in Hubei Eyaleti, Wuhan Şehrindeki bir pnömoni vakası kümesi, ilk olarak 2019 yeni koronavirüs (2019-nCov) olarak adlandırılan ve sıklıkla atıfta bulunulan yeni bir betakoronavirüs olarak tanımlandı. 2019-nCov genetik dizisi diğer virüs genetik dizileri ile karşılaştırıldığında 2002-2003 salgınına neden olan SARS-CoV genetik dizisi ile %79.5 benzer olması nedeniyle Uluslararası Virüslerin Taksonomisi Komitesi (International Committee on Taxonomy of Viruses) 2019-nCov'u SARS-CoV-2 olarak yeniden adlandırdı (Rabi vd. 2020, Zhou vd.  2020).

Sars-CoV-2 ise insanlar için yeni bir virüstür. SARS‐CoV‐2 Betacoranavirus (genus) türünün sarbecovirus alttürüne aittir (Lu vd. 2020).  SARS‐CoV‐2 virüsleri zarflı, küresel veya eliptik şekilli epleomorfiktir. Çapları yaklaşık 60 ila 140 nm'dir (Chen vd. 2020).

SARS‐CoV‐2’in genetik materyali pozitif tek sarmallı RNA olup genetik materyalinin uzunluğu yapılan ilk sekans analizine göre 29903 bazdır (NC_045512.2; NCBI, Lu vd. 2020). Genomik RNA konak hücrenin içine girdikten sonra direkt kalıp (templete) olarak kullanılır.  

Genomik RNA içeriği yapısal ve yapısal olmayan genler olarak ikiye ayrılmaktadır. Yapısal genler; spike (S), membrane (M), envelope (E) ve nucleocapids (N) proteinlerine transkript edilir. Yapısal olmayan genler ise 16 adet olup sentezlediği proteinlerin işlevleri; hücresel mRNA parçalama, interferon sinyalini inhibe etme, polipeptitleri parçalanma, konağın bağışıklık tepkisini bloke etme, sitokin ekspresyonunu teşvik etme, çift membran vesikül oluşumu, genel proteaz aktivitesi, kimotripsin benzer proteaz aktivitesi,  dimerizasyon ve RNA bağlanma aktivitesi, scaffold proteini, endoribonükleaz aktivitesi, ekzoribonükleaz aktivititesi ve RNA helikaz aktivitesi şeklinde özetlenebilir (Chen vd. 2020).  

Filogenetik analizleri

Lu ve arkadaşlarının 2020’de yaptığı çalışmada, Sars-Cov-2’nin genomik karakterizasyonunu tarif edilerek virüsün kökenleri ve hücre reseptörü bağlanması hakkında bilgiler sağlanmıştır. Bu çalışmada şu şekilde özetlenebilir:

Çalışmada, Wuhan’da en az 3 farklı hastaneden hastalık geçmişine sahip 9 hasta ve negatif kontrol içinde genel bir solunum yolu patojeni seçilmiştir.  Hastalardan virüs izole edilmiş ve BGI sekans stratejisi ve Çin CDC sekans stratejiesine göre sekanslanmıştır. Elde edilen sekanslar ile GeneBanktan Blastn kullanılarak 2019-nCOV sekansı ile karşılaştırılmış ve filogenetik analiz yapılmıştır. 

Elde edilen bilgiler doğrultusunda, SARS-Cov-2 tüm genomuna (complete genome) GenBank’ta bulunan en yakın virüs genomu bat-SL-CoVZC45 (sekans benzerliği %87.99 ve query covarege-soru kapsamı %99) olarak bulunmuştur. Diğer yakın virüs genomu ise bat-SL-CoVZXC21 (sekans benzerliği %87.23 ve query covarege-soru kapsamı %98) dir.

Spike (S) proteini konak hücre reseptörüne bağlanmasına ve membran füzyonuna aracılık eder. Bu nedenle konak tropizmini ve iletim kapasitesini belirlemek için çok önemlidir. S proteini s1 ve s2 domainlerinden oluşur.

Reseptör bağlanma Bölgesi (Receptor-binding domain)’lerine göre filogenetik analiz yapıldığı zaman 4 betakoronavirüs soyunun (lineage) olduğu görülmektedir. Her ne kadar SARS-COV-2 tüm genom analizinde bat-SL-CoVZC45 ve bat-SL-CoVZXC21 ile daha yakın olsa da reseptör bağlanma alanına göre SARS-CoV ile daha yakın olduğu bulunmuştur.

Çalışmada, Swiss-Model programı kullanılarak reseptör bağlanma proteinlerin 3 boyutlu karşılaştırılması yapılmıştır. Karşılaştırma sonucunda, SARS-CoV bağlanma alanı ile Sars-Cov-2’nin bağlanma alanının benzer olduğu belirlenmiştir. Bu sonuç, 2019-nCoV'nin hücre reseptörü olarak anjiyotensin dönüştürücü enzim 2'yi (ACE2) de kullanabileceğini düşündürmektedir.

Ceraolo ve Giorgi’in (2020) yaptığı bir çalışmada proteomik yaklaşımlar kullanılarak filogenetik analizler gerçekleştirilmiştir. Çalışmada 2019-nCov ile SARS, MERS, and BCoV karşılaştırılmıştır.  Sekanslar Gisaid ve GeneBank veri bankalarından elde edilmiştir. Gisaid veri bankasından elde edilen 53 2019-nCOV genom sekansları, GenBank’dan Wuhan deniz ürünleri marketinde izole edilen Wuhan-Hu-1 ile italya'da kısmi sekansları yapılan 2 örnek kullanılmıştır. SARS (6 adet), MERS (2 adet) ve BCOV (6 adet) genomları GeneBanktan elde edilmiştir.

Filogenetik model üretimi ve ağaç görselleştirmesi için MEGAX v 10.1.7 kullanılmış ve Maksimum Olabilirlik Yöntemi (Maximum Likehood Method) ve Tamura ‐ Nei modeli kullanılarak yapılmıştır. 

CATPCA (Categorical Principal Component Analysis), FactoMineR paketi kullanılarak R 3.6.1 sürümünde gerçekleştirilmiştir. 

İkili karşılaştırma (pairwise) protein kimliği ve kapsamı, BLOSUM62 matrisi ve varsayılan parametre ile BLAST protein v2.6.015 kullanılarak hesaplanmıştır. Nükleotid sekans özdeşliği ve kapsamı, BLAST nükleotid v2.6.0 kullanılarak hesaplanmıştır.

Yapısal protein bozukluğunun tahmini, Russell / Linding algoritmasının bir uygulaması olan GLOBPLOT2 kullanılarak yapılmıştır.

Bu çalışmada elde edilen sonuçlar şu şekildedir:

2019-nCOV genomları arasında %99 benzerlik elde edilmiştir. BCOV ile referans 2019-nCOV arasında ise %96.3 benzerlik elde edilmiştir. Bu değer Lu ve ark. (2020) yaptığı çalışmada %88 olarak bulunmuştur. SARS ile genomların benzerliği ise %80.26 olarak bulunmuştur. Tamura-Nei Maxiumum Likehood Estimation kullanılarak elde edilen filogenetik analiz sonuçları haritalandırılmıştır. Bu haritadan elde edilen bilgiler, 2019-nCOV genomları birbirlerine aynıdır ve en yakın homologları ise BCoV genomudur.

Köken

İnsanlarda hastalıklara neden olan tüm koronavirüsler hayvan kökenli olup bunlar yarasalarda ya da kemirgenlerdedir (Rabi, F. A., Al Zoubi, M. S., Kasasbeh, G. A., Salameh, D. M., & Al-Nasser, A. D. (2020)., Fan, Y.; Zhao, K.; Shi, Z.-L.; Zhou, P. 2019). İnsanlarda görülen önceki betacoronavirüs salgınları, yarasalar dışındaki hayvanlara doğrudan maruz kalmayı içeriyordu. SARS-CoV ve MERS-CoV ise sırasıyla doğrudan misk kedilerinden ve develerden insanlara bulaşmışlardır (Rabi, F. A., Al Zoubi, M. S., Kasasbeh, G. A., Salameh, D. M., & Al-Nasser, A. D. (2020).

SARS-CoV-2'deki Genomik Varyasyonlar

Tüm genomu dizilenen SARS-CoV-2'nin genomik sekansı, SARS-CoV ve MERS-CoV'nin % 80'in üzerinde özdeş fakat farklı genom kompozisyonuna sahip olduğu gösterilmiştir (Wu vd. 2020b). Yapısal proteinler, ‘spike’ (S), zarf (E), membran (M) ve nükleokapsid (N) genleri içeren dört yapısal gen tarafından kodlanır. orf1ab SARS CoV-2’nin pp1ab proteini ve 15 nsps (yapısal olmayan proteinler) kodlayan en büyük bir gendir (Wu vd. 2020b). Son çalışmalar SARS-CoV ve SARS-CoV-2'de 8a proteininin olmaması ve SARS-CoV-2'de 8b ve 3c proteinindeki amino asitlerin sayısında dalgalanma gibi dikkate değer farklılıklar olduğunu göstermiştir (Wu vd. 2020b). 

Wuhan koronavirüsün Spike glikoproteininin homolog rekombinasyon yoluyla modifiye edildiği de bildirilmektedir. SARS-CoV-2'nin ‘spike’ glikoproteini, SARS-CoV ve bilinmeyen bir Beta-CoV karışımıdır (Li vd. 2020). Floresan bir çalışmada, SARS-CoV-2'nin daha önce SARS-CoV tarafından kullanılan konakçı hücreye giriş için aynı ACE2 hücre reseptörünü ve mekanizmasını kullandığı doğrulanmıştır (Gralinski ve Menachery 2019, Xu vd. 2020b). SARS-CoV-2'nin Spike proteinindeki tek N501T mutasyonu, ACE2 için bağlanma afinitesini önemli ölçüde arttırmış olabilir (Wan vd. 2020). 2019-yeni koronavirüsün tüm genomu, önceki insan SARS benzeri yarasa CoV' ye % 80'den fazla benzer olduğundan, SARS-CoV-2'nin enfeksiyöz patojenitesini incelemek için daha önce SARS-CoV için kullanılan hayvan modelleri kullanılabilir.

Çalışmalar ile insan ACE2'sinde virüs bağlayan iki sıcak nokta belirlenmiştir (Li vd. 2008, Wu vd. 2012). Bu iki virüs bağlayıcı sıcak noktanın yakınında doğal olarak seçilmiş bir dizi RBM mutasyonu meydana gelmiş ve bu kalıntılar büyük ölçüde SARS-CoV'nin konak aralığını belirlemektedir. Ayrıca insan ACE2'ye viral bağlanmayı arttıran spesifik amino asitler keşfedilmiştir (Wu vd. 2012, Wan vd. 2020). ACE2-bağlanma afinitesinin SARS-CoV enfeksiyonunun en önemli belirleyicilerinden biri olduğu gösterildiğinden, 2019-nCoV (SARS-CoV-2), insanları enfekte etme ve insanlar arasında bulaşma yeteneğini geliştirdi. Endişe verici bir şekilde, tek bir N501T mutasyonunun SARS-CoV-2 RBD ve insan ACE2 arasındaki bağlanma afinitesini önemli ölçüde artırabileceğini öngörülmektedir. Bu nedenle, hastalarda virüs evrimi, 501 pozisyonunda yeni mutasyonların ortaya çıkması için yakından izlenmelidir (Wan vd. 2020). 2003 yılında izole edilen insan SARS-CoV'sinde, rezüdü 487 bir serindir ve burada SARS-CoV suşu için insandan insana bulaş yoktur. SARS-CoV-2 RBD'deki Asn501, 353 numaralı sıcak noktaya Ser487'den daha fazla ancak Thr487'den daha az destek sağlar. Bu analiz, SARS-CoV-2'nin insan ACE2'sini 2002 yılındaki insan SARS-CoV’dan daha az verimli, ancak 2003 yılındaki insan SARS-CoV'dan daha verimli tanıdığını göstermektedir. Bunun sonucu olarak, ACE2-RBD etkileşimleri göz önüne alındığında, SARS-CoV-2’nin insandan insana bulaşma yeteneği kazanmıştır (Wan vd. 2020).

KAYNAKÇA

Ceraolo, C., & Giorgi, F. M. (2020). Genomic variance of the 2019‐nCoV coronavirus. Journal of Medical Virology.

Chen, Z. M., Fu, J. F., Shu, Q., Chen, Y. H., Hua, C. Z., Li, F. B., ... & Wang, Y. S. (2020). Diagnosis and treatment recommendations for pediatric respiratory infection caused by the 2019 novel coronavirus. World Journal of Pediatrics, 1-7.

Chen, Y., Liu, Q., & Guo, D. (2020). Emerging coronaviruses: genome structure, replication, and pathogenesis. Journal of medical virology.

Fan, Y.; Zhao, K.; Shi, Z.-L.; Zhou, P. Bat Coronaviruses in China. Viruses 2019, 11, 210.

Gralinski, L. E., & Menachery, V. D. (2020). Return of of the the Coronavirus :, 1–8.

Li B, Si H-R, Zhu Y, Yang X-L, Anderson DE, Shi Z-L, et al. Discovery of Bat Coronaviruses through Surveillance and Probe Capture-Based Next-Generation Sequencing. mSphere. 2020;5(1).

Lu, Q., & Shi, Y. (2020). Coronavirus disease (COVID‐19) and neonate: What neonatologist need to know. Journal of Medical Virology.

Lu, R., Zhao, X., Li, J., Niu, P., Yang, B., Wu, H., ... & Bi, Y. (2020). Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding. The Lancet, 395(10224), 565-574.

Rabi, F. A., Al Zoubi, M. S., Kasasbeh, G. A., Salameh, D. M., & Al-Nasser, A. D. (2020). SARS-CoV-2 and Coronavirus Disease 2019: What We Know So Far. Pathogens, 9(3), 231.

Wan, Y. Shang, J. Graham, R. Baric, R.S. Li F. Receptor recognition by novel coronavirus from Wuhan: An analysis based on decade-long structural studies of SARS Journal of virology (2020)

Wu KL, Peng GQ, Wilken M, Geraghty RJ, Li F. 2012. Mechanisms of host receptor adaptation by severe acute respiratory syndrome coronavirus. J Biol Chem 287:8904–8911. doi:10.1074/jbc.M111.325803.

Wu, A. Peng, Y. Huang, B. Ding, X. Wang, X. Niu, P. et al. Genome composition and divergence of the novel coronavirus (2019-nCoV) originating in China Cell Host & Microbe (2020b)

Xu, X. Chen, P. Wang, J. Feng, J. Zhou, H. Li, X. et al. Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission Science China Life Sciences., 63 (3) (2020a), pp. 457-460

Zhou, P.; Yang, X.-L.; Wang, X.-G.; Hu, B.; Zhang, L.; Zhang, W.; Si, H.-R.; Zhu, Y.; Li, B.; Huang, C.-L.; et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature 2020, 579, 270–273.