Sars-CoV-2 ve Covid-19 pandemisine bilimsel yönleriyle genel bakış

Bülent Çakal

Koronavirüsler Ve SARS-CoV-2’nin Temel Virolojik Özellikleri

Şiddetli akut solunum sendromu-koronavirüs-2 (SARS-CoV-2) olarak adlandırılan virüsün neden olduğu koronavirüs hastalığı-2019 (COVID-19) pandemisi, mevcut ve olası sonuçları açısından tüm dünyayı etkisi altına almıştır. SARS-CoV-2, insanlarda enfeksiyona neden olan yedinci, 21. yüzyılda salgınlara neden olan üçüncü koronavirüstür.

Diğer virüsler gibi koronavirüslerin de enfekte edecekleri hücreleri önce tanımaları, sonra tutunmaları ve son olarak hücrenin içine salınmaları gerekmektedir. Tanıma işlemi virüsün dış düzeyinde yer alan bir protein ile enfekte edeceği hücrenin yine dış yüzeyinde bulunan reseptör adı verilen bir çeşit özel algaçlar arasında gerçekleştirilir. Bu süreç virüse ve enfekte edeceği canlıya ait oldukça özgün ve karakteristik olup, adeta anahtar kilit uyumuna benzer. Bu açıdan SARS-CoV-2’de enfekte edeceği hücreyi tanımadan sorumlu olan ve virüsün dış yüzeyinde bulunan protein, spike (S) olarak adlandırılır. Reseptör ya da almaç ise başta insanların solunum yolları ile diğer birçok doku ve organlarında bulunan, anjiyotensin dönüştürücü enzim 2 (ACE2) olarak adlandırılır. Nihayetinde SARS-CoV-2 spike proteini aracılığıyla ACE2’yi fonksiyonel bir reseptör olarak kullanarak insanlara bulaşabilmekte ve enfeksiyona neden olabilmektedir.

SARS-CoV’lerin spike proteinleri, reseptör bağlayan (S1) ve membran füzyonu (S2) ile ilişkili iki temel alt birimden oluşur. SARS-CoV-2 spike proteininin reseptör bağlayan kısmının ACE2’ye bağlanma ilgisi oldukça yüksektir. Ayrıca SARS-CoV-2’nin spike proteini furin gibi proteinlerin ayrışmasını sağlayan enzimler için ek bir kesim alanı içermesiyle de farklılık gösterir. Furin aracılı enzimler ile viral spike proteininin ayrıştırılması, SARS-CoV-2’nin hedef hücreye giriş etkinliğini ve bulaşma gücünü artırır. SARS-CoV-2 spike proteininin reseptör bağlayan kısmının yapısal olarak yatık konfirmasyonda olması da ayrıca virüsün insan bağışıklık sisteminin denetiminden kaçmasına olanak tanıyabilmektedir. Dolayısıyla SARS-CoV-2’nin yayılımının oldukça geniş olması ve sonucunda küresel düzeyde bir salgına (Pandemi) neden olması, SARS-CoV-2 reseptör bağlayan biriminin, ACE2’ye bağlanma ilgisinin yüksekliği, insan bağışıklık sisteminin denetiminden kaçabilme ve yüksek bulaşma yetkinliği gibi özgün virolojik ve karakteristik özelliklere sahip olması ile ilişkilidir.

SARS-CoV-2 enfeksiyonu enfekte kişilerin yaklaşık %80’ninde hastalığın kontrol altına alınmasına imkân verebilen immün yanıtlardan, çeşitli hastalıkların eşlik ettiği daha çok yaşlı kişilerde ise immün fonksiyon bozukluğu ve/veya yetersizliği sonucu ani ve hızla gelişen sitokin fırtınası ve yoğun inflamasyon ile karakterize, mikro ve/veya makro düzeyde damarlarda trombozis (pıhtılaşma) ile sonuçlanabilen oldukça geniş bir yelpazeyi içerebilmektedir. COVID-19’da hastalığa ve hastalığın şiddetli seyretmesine neden olan mekanizmalar net olarak bilinmemekle birlikte, SARS-CoV-2’nin pnömosit ve endotel üzerindeki direkt etkileri ile lokal ve sistemik enflamatuar yanıtlar ve kan-damar sistemi ile arasındaki karmaşık etkileşim, hastalığın klinik seyri ve sonuçları üzerinde belirleyici rol oynadığı anlaşılmaktadır. Dolayısıyla SARS-CoV-2 enfeksiyonu özellikle ağır ve riskli hastalardaki klinik seyri, tedavi yanıtları ve sonuçları itibariyle hemen her bir hasta için öngörülmesi zor, oldukça geniş bir çeşitlilik içermektedir.

Koronavirüslerin Temel Virolojik Özellikleri

Koronavirüsler, insan ve hayvanların solunum, mide-bağırsak ve sinir sisteminde neden olabildikleri enfeksiyon hastalıkları, sonuçları itibariyle toplum sağlığını tehdit edebilme ve ciddi ekonomik kayıplara yol açabilme potansiyeline sahiptir. Koronavirüslerin, mutasyon ve rekombinasyonlar aracılığıyla yeni çevrelere adaptasyon yetkinlikleri, konak aralığının ve dokulara ilgilerinin dinamik bir şekilde değişimine ve çeşitlenmesine olanak sağlar. Koronavirüsler, omurgalıların enfekte hücrelerini hastalandırabilen, dışarısında zarf adı verilen bir kılıf içeren, gen içeriği tek zincirden oluşan RNA virüsleridir. SARS-CoV’ler, 29.0-30.2 X 1000 nükleotid çifti arasında değişen genom büyüklüğüne sahiptirler.

Kuşların enfeksiyöz bronşit virüsü (IBV), 1937 yılında tavuklardan izole edilerek tanımlanan ilk koronavirüstür. İnsanlarda enfeksiyon etkeni olan ilk insan koronavirüs (Hop) ise 1965 yılında Tyrrell ve Bynoe tarafından tespit edilmiştir. Eş zamanlı olarak Hamre ve Procknow da yine soğuk algınlığı tanılı tıp öğrencilerinde doku kültürlerinde benzer yöntemleriyle ürettikleri virüsü 229E olarak adlandırmışlardır. Koronavirüsler, ilk dönem organ kültürlerinde üretilmişlerdir. Yapılan elektron mikroskobik çalışmaları sonucunda, her iki virüsünde hayvanlardan izole edilen IBV, fare hepatit virüsü (MHV) ve domuzların bulaşıcı gastroenterit virüsüne (TGEV)] benzer olduğu ve ayrıca elektron mikroskobu altında, virüs yüzey morfolojisinin taç benzeri görüntüye sahip olmasına atfen koronavirüs olarak adlandırılarak, yeni bir virüs cinsi olarak kabül edilmişlerdir.

Koronavirüslerin sınıflandırılması ve hastalık yapma yetenekleri (Patojenite)

Koronavirüsler; alfa-koronavirüs, beta-koronavirüs, gama-koronavirüs ve delta-koronavirüs olarak adlandırılan 4 cins ve 200’den fazla tür içerir. Alfa ve beta-koronavirüs’ler memeli, gama-koronavirüsler kuş, delta- koronavirüsler ise memeli ve kuş türlerini enfekte edebilmektedirler. SARS-CoV-2’den önce insanlarda enfeksiyona neden olabilen 2’si alfa, 4’ü ise beta- koronavirüs cinsinde yer alan 6 koronavirüs türü tanımlanmıştır. Alfa-koronavirüs içerisinde yer alan iki insan koronavirüsü HCoV-229E ve HCoV-NL63’dür. HCoV-OC43, HCoV-HKU1, SARS-CoV, Orta Doğu solunum sendromu-koronavirüsü (MERS-CoV) ve mevcut pandeminin etiyolojik etkeni kabul edilen SARS-CoV-2, insan beta- koronavirüslerdir.

Beta-CoV cinsine ait SARS-CoV, MERS-CoV ve SARS-CoV-2 hastalık yapma yeteneği/gücü yüksek (Patojenite), alfa-CoV HCoV-229E ve HCoV-NL63 ile beta-CoV HCoV-OC43, HCoV-HKU1’yı içeren diğer 4 insan koronavirüsü ise hastalık yapma yeteneği/gücü düşük insan endemik virüsleri olarak nitelendirilmektedirler. SARS-CoV, 2002 yılında Çin’in Guangdong eyaletinde ortaya çıkmış, hava yolu seyahati aracılığıyla 5 kıtaya yayılmış, 8.098 kişinin enfeksiyonu ve 774 ölümle sonuçlanmıştır. MERS-CoV ise 2012 yılında Arabistan’ın Peninsula kentinde ortaya çıkmış, 27 ülkeye yayılmış, yaklaşık 2.494 kişinin enfeksiyonu ve 858 ölüme neden olmuş ve hâlâ rapor edilen nadir/spontan vakalar uyarınca varlığını sürdürmektedir. HCoVOC43 ve HCoV-229E, genel soğuk algınlığı sebebi olarak tanımlanan koronavirüslerdir. HCoVHKU1 ve HCoV-NL63 ise daha şiddetli ve nadiren ölümle sonuçlanabilen üst ve alt solunum sisteminde enfeksiyonlara neden olabilen koronavirüslerdir.

Koronavirüslerin viral patojeniteleri arasında farklılığa neden olan faktörlerin virolojik ve moleküler esasları henüz tam olarak aydınlatılamamıştır. Bununla birlikte özellikle SARS-CoV genomlarının dokuz, HCoV-NL63 genomunun ise tek aksesuar gen içermesinden hareketle aksesuar genler tarafından kodlanan spesifik patojenite faktörlerinin (virülans) eksikliği ve yine viral replikasyonunun kontrolü ile ilişkili aksesuar genlerdeki farklılıkların, koronavirüslerin patojenitelerinin belirlenmesinde rolü olabileceği belirtilmektedir.

SARS-CoV’ların spike proteinleri, reseptör bağlayan (S1) ve membran füzyonu (S2) ile ilişkili iki temel birim içerir. Koronavirüs reseptör bağlayan birimi de N-terminal domain ve C-terminal domain olmak üzere iki alt birim içerir. S1’i oluşturan birimlerden biri ya da ikisi, potansiyel olarak reseptörleri bağlar ve reseptör bağlama birimi olarak işlev görür. Bu açıdan koronavirüslerin reseptör bağlama biriminin hedef reseptöre bağlanması için, S1-C-terminal domainin konformasyonel olarak açık pozisyonda olması gereklidir. Bilimsel veriler yüksek patojeniteye sahip koronavirüslerin (SARS-CoV-2, SARS-CoV ve MERS-CoV) spike protein trimerlerinin kısmen açık pozisyonda olduğunu, buna karşın insanlarda genel soğuk algınlığı ile ilişkili düşük patojeniteli koronavirüslerdeki (HCoVNL63, HCoV-OC43, HCoV-HKU1, HCoV-229E) spike proteinlerinin ise genel olarak kapalı pozisyonda olduğuna işaret etmektedir. Dolayısıyla SARS-CoV-2 spike proteini oluşturan alt birimlerinin de kısmen açık pozisyonda olması, SARS-CoV-2’nin, SARS-CoV ve MERS-CoV gibi yüksek patojeniteye sahip olduğunu destekleyen virolojik bir bulgu olarak ifade edilmektedir.

Domuzların bulaşıcı gastroenterit virüsü, domuz salgını ishal virüsü (PEDV) ve domuz solunum koronavirüsü alfaCoV’leri; yarasa koronavirüsü HKU4, MHV, sığır koronavirüsü, IBV ve domuz deltakoronavirüs ise sırasıyla gama ve delta-CoV’ları temsil eden koronavirüslerdir. Uluslararası Virüs Taksonomi Komitesi Koronavirüs Çalışma Grubu tarafından, SARS-CoV-2’nin Betacoronavirus cinsi ve Sarbecovirus alt cinsi içerisinde SARS-CoV türü olarak adlandırılması önerilmiştir.

Koronavirüslern Virolojik Özellikleri Ve Viral Proteinler

Koronavirüsler, 27-32 X 1000 nükleotid baz çifti arasında değişen genom büyükleri ile bilinen en büyük genoma sahip RNA virüsleridir. Koronavirüsler de diğer virüsler gibi taşıdıkları genetik materyelin kopyasını yaparak çoğalmalarını ve varlıklarını sürdürmelerine imkan sağlayan biyolojik makineler içerirler. Bu açıdan taşıdıkları genetik materyelin kopyasını yaparak çoğalmasını sağlayan makinelerden biri replikasyon, diğeri ise taşıdığı genetik şifreye uygun proteinlerin yazımını sağlayan transkripsiyon makineleridir. SARS-CoV’ler için transkripsiyon ve replikasyon süreçleri özetle; virüsün hücre içine girişi ve nükleokapsidin ayrışması sonucu serbest kalan genetik materyalin (RNA), replikaz-transkripsiyon kompleksi (RTC) oluşturmak için yapısal olmayan proteinleri kodlayan poliprotein 1a/1b’nin direkt olarak translasyonunu gerçekleştirmek amacıyla bir kalıp olarak kullanmasını içerir. Oluşturulan bu kompleks içinde kesintisiz bir transkripsiyonel süreç dâhilinde ikincil subgenomik mRNA’lar (sgRNAs) ve bunların da pozitif polariteye sahip olanlarının tekrar bir kalıp olarak kullanılması ile genomik mRNA’ların sentezi gerçekleştirilir. SARS-CoV-2 genomu tarafından, yüzey protein (S), membran (M), zarf (E) ve nükleokapsid (N) proteinleri kodlanır. Yapısal proteinlere ek olarak farklı koronavirüsler, zarfla ilişkili hemaglutinin esteraz protein, 3a/b protein, 4a/b protein gibi özel aksesuar ve özel yapısal proteinler kodlarlar. Tüm yapısal ve aksesuar proteinler, koronavirüslerin sgRNA’ları tarafından kodlanır.

Koronavirüslerin yapısal olmayan proteinlerinin önemli bir kısmı, viral replikasyon aşamasında spesifik fonksiyonlara sahip olmalarına karşın, bir kısmının fonksiyonu ise henüz bilinmemektedir. Dört yapısal protein ise virüsün yapılanması ve enfeksiyonun oluşması için gereklidir. M proteini, sahip olduğu üç transmembran proteini aracılığıyla nükleokapside bağlanarak, virüs morfolojisinin oluşumuna katkıda bulunur. E proteini viral kurgu, viral morfogenez, virüs salınımı ve viral patogenezde rol alır. E protein yokluğunda virüsün biyogenezi sonrası hücre dışına salınımı kısmen inhibe olur. N proteinin ayrıca S protein gibi immünojen özelliğe sahip olduğu, enfeksiyon sürecinde S proteininden hemen sonra antikor sentezini indükleyebildiği, dolayısıyla serolojik tanıda kullanılan hedef bir protein olduğu bilinmektedir.

Replikasyon DNA veya RNA içeren genetik materyalin sentezlenmesi amacıyla gerçekleştirilen, dolayısıyla türlerin veya canlılığın devamlılığını sağlayan en temel biyolojik süreçtir. Sentez temel olarak çok sayıdaki ek faktörler haricinde mevcut DNA ya da RNA’nın kalıp/şablon olarak kullanılması ve polimeraz enzimleri aracılığıyla gerçekleşir. Viral replikasyon amacıyla bazı istisnalar hariç DNA virüsleri DNA polimeraz, RNA virüsleri ise RNA polimeraz enzimini kullanır. Sentezin hızı ve dinamiği virüse ve enfekte ettiği organizmaya göre değişir. Bu nedenle doğası gereği genetik materyalin sentezinin her bir döngüsünde yeni sentezlenen genetik dizi üzerinde, kalıp olarak kullanılan genetik diziden farklı olabilen, nükleotid değişiklikleri (mutasyon) meydana gelebilmektedir. Bu hatalar ise polimeraz enzimlerinin hata düzeltme özelliği sayesinde düzeltilebilmektedir. Buna karşın RNA polimeraz enzimi hata düzeltme fonksiyonu DNA polimeraz enzimine göre yaklaşık 105 kat daha düşüktür. RNA virüsleri içerisinde ise sadece koronavirüslere özgün olduğu bilinen, hata düzeltme fonksiyonu olabileceği öngörülen 3′‐5′ ekzoribonükleaz adı verilen bazı ek enzimlere sahiptirler. Bu virolojik özellik HIV (human immunodeficiency virus) ve HCV (Hepatitis C virus) gibi diğer RNA virüslerine oranla koronavirüslerin mutasyon (varyant/varyasyon) hızı ve dinamiğinin daha az olmasına olanak sağlar. Dolayısıyla bu temel virolojik özelliğin pandeminin seyri ve kontrolüne olumlu yönde katkı sağlaması beklenir.

KORONAVİRÜSLERİN SPİKE PROTEİNLERİ VE RESEPTÖR TANIMA MEKANİZMALARI

Koronavirüslerin spike proteinleri, koronavirüslerin konak hücreye girişine aracılık eden çok fonksiyonlu moleküler makinelerdir. Koronavirüslerin spike proteinleri, reseptör tanıma ve membran füzyonunu içeren iki kritik fonksiyona sahiptirler. Spike proteinin konak hücre reseptörünü tanıma, tutunma ve bağlanması ile konak hücre ve viral membranların füzyonu, enfeksiyonun oluşmasında ve başlamasında rol alan en temel virolojik süreçlerdir. Reseptör kullanımının çeşitliliği, koronavirüslere özgü seçkin bir özelliktir. Spike proteini, ayrıca konak aralığı ve doku tropizmi belirlenmesi ile özellikle antikor yanıtlarının aktivasyonunun sağlanmasında da kritik öneme sahiptir. Dolayısıyla viral biyogenezin bu basamakları, SARS-CoV enfeksiyonlarının tedavisi ve/veya immünizasyonu amacıyla geliştirilecek antiviral terapötikler ve aşı tasarımlarının da temel hedeflerini teşkil etmektedir.

Koronavirüslerin spike proteini büyük dış domain, membranlar arası tek yönlü geçiş sağlayan bağlantı ve kısa hücre içi kuyruktan oluşan üç segment içerir. Dış domain reseptör bağlayan alt birim (S1) ve membran füzyonu ile ilişkili iki alt birimden (S2) oluşur. Elektron mikroskop çalışmalarından elde edilen veriler, spike proteininin S1 alt biriminin üç alt proteinden oluştuğu ve bunların her birinin ayrı ama bitişik olacak şekilde S2’ye monte edildiği konfigürasyona işaret etmektedir. S1, konak hücre reseptörüne bağlanmadan, S2 ise viral ve konak hücre membranlarının füzyonundan sorumludur. Virüsün hücreye girişi sırasında S1’in viral tutunma için konak hücre yüzeyindeki reseptöre bağlanması, S2’nin ise konak ve viral membranları kaynaştırması (füzyon), viral genomun konak hücre içine girmesini sağlar. Reseptöre bağlanma ve membran füzyonu, koronavirüs enfeksiyon döngüsünün başlangıç ve en kritik aşamalarını oluşturur.

Koronavirüs S1’de, N-terminal domain ve C-terminal domain olmak üzere 2 önemli domain tanımlanmıştır. S1’i oluşturan domainlerden 1 ya da 2’si, potansiyel olarak reseptörleri bağlar ve reseptör bağlama birimi olarak işlev görür. S1- C-terminal domain, bir kor (çekirdek) yapı ile reseptör bağlama motifinden oluşan 2 alt domain içerir. Kor yapı, 5 adet β tabakasının antiparalel diziliminden oluşan bir konfirmasyona sahiptir. Reseptör bağlama motifi, ACE2’ye bağlanmak için hafif konkav bir dış yüzeye sahiptir. Konkav yüzeyin tabanı kısa olup, antiparalel konfirmasyona sahip 2 tabakalı bir β sarmalı ile halkaların oluşturduğu 2 düğüm (halka) içerir.

SARS-CoV’ün ACE2’ye bağlanması, ACE2’nin enzimatik aktivitesini engellemez, ACE2’nin enzimatik aktivitesi de SARS-CoV’ün hücreye girişinde rol oynamaz. ACE2, 31 ve 353. aminoasit pozisyonlarında SARS-CoV’ler için 2 kritik bağlanma noktası içerir. Bu bağlanma noktaları SARS-CoV-2 için spike proteinindeki 493 ve 501. amino asit noktaları ile etkileşim halindedir. Bu açıdan bu bölgeler mutasyona yönelik seçimli baskı altındadır. Dolayısıyla bu noktalarda meydana gelen mutasyonlar, SARS-CoV-2’nin spike proteininin İnsan ACE2’ye bağlanma afinitesinde değişikliğe neden olabilmektedir. Bu açıdan SARS-CoV-2’nin bugün için dolaşımda olan B.1.1.7 (United Kingdom; İngiltere), B.1.351 (South Africa, Kuzey Afrika), P.1 (Brazil, Brazilya) olarak adlandırılan 3 (üç) önemli varyantının ortak olarak taşıdığı ve virüsün yukarıda bahsedilen spike reseptör bağlama bölgesinde yer alan N501Y (Asparajin/Tirozin) mutasyonu ACE2’ye bağlanma afinitesinin artmasına dolayısıyla bulaşma hızı ve kapasitesinin artışına neden olarak salgının dinamiğini ve yönünü olumsuz yönde etkileyebilmektedir. B.1.351 ve P.1 varyantlarını virüsün spike bölgesinde meydana gelen E484K (Glutamat/Lizin) ile 417. aminosit pozisyonunda B.1.351 varyantı için K417N (Lizin/Asparajin) ve P.1 varyantı için ise K471T mutasyonlarının nötralizan antikorların nötralizasyon etkinliğinde azalmaya dolayısıyla immün kaçışa, ayrıca aşı ile elde edilecek potansiyel koruyucu immüniteden kaçınabilmeye ve/veya etkinliğinin azalmasına neden olabileceği gösterilmiştir. Dolayısıyla bu mutasyonlar da COVID-19 pandemisi ile mücadeleyi zorlaştırabilmektedir.

Hindistan’da henüz yeni tespit edilen ve B.1.617 olarak adlandırılan SARS-CoV-2 varyantına yönelik henüz bilimsel veri ve bulgular az olmakla birlikte, bu varyantın genomunun 13 farklı mutasyon içerdiği rapor edilmektedir. Bu mutasyonlardan 3’ü virüsün spike proteinini kodlayan gende yer almaktadır. Bunlardan E484Q (Glutamik asit/Glutamin) ve L452R (Lösin/Arginin) mutasyonları viral spike proteininin insan ACE2’ye bağlanma afinitesini dolayısıyla virüsün bulaşıcılığının artmasına ve virüsün immün sistemden kaçınmasına neden olabilmektedir. P618R (Prolin/Arginin) mutasyonu da spike proteinin S1 ve S2’ye kesimini aktive ederek hücre düzeyinde bulaşmayı arttırabileceği bildirilmektedir.

Koronavirüslerin spike proteinleri aracılığı ile reseptöre bağlanabilmesi için reseptör bağlama birimlerinin konformasyonel olarak açık (up) pozisyonda olması gereklidir. Koronavirüslerin reseptör bağlama birimleri açık pozisyonda iken atomik düzeyde kararsız bir yapıyı, reseptöre ulaşılabilir olmadığı kapalı pozisyonda ise daha kararlı bir yapıyı sergiler. Füzyon öncesi atomik düzeyde bu moleküler yapıların belirlenmesi, nötralizan antikor hedeflerinin tespiti ile aşı dizaynı ve geliştirilmesi için önem taşımaktadır.

Koronavirüslerin Enfekte Ettikleri Hücrelere Girişi

Membran füzyonu (kaynaşma), zarflı virüslerin hücreye girmesi için gerekli olan en temel ve en kritik aşamalardan biridir. Koronavirüslerin spike proteinleri influenza virüs, HIV ve Ebola virüslere benzer sınıf I viral membran füzyon proteinleri sınıfına dâhildir. Membran füzyonu, ya hücre yüzeyinde ya da hücre içi keseciklerde gerçekleşir ve bunun için hücre düzeyinde bir takım enerji bariyerlerinin aşılması gerekir. Spike proteinlerinin füzyon öncesi ve sonrası konformasyonel değişimi, membran füzyonuna imkân verecek şekilde tetiklenmek zorundadır. Koronavirüs spike proteinlerinin üçlü yapısı, S2’nin konformasyonel değişimini engeller. S1-C-terminal domain, spikenin üst kısmında lokalize iken, S1-N-terminal domain ise S2 ile direkt bağlantı hâlindedir.

Koronavirüs spike füzyon peptidi, S2’nin alt bölgesinde yer alması nedeniyle bir internal füzyon proteinidir. S1/S2 sınır bölgesi ile internal füzyon proteininin N terminalinde yer alan 2 proteoliz bölgesi, S2’nin konformasyonları arasında geçişte (dönüşüm) kritik öneme sahiptir. Füzyon öncesi koronavirüs spike proteini, konak hücre membranı ile viral membran arasındaki füzyon için konformasyonel yeniden düzenlenmeye izin verecek şekilde yarı kararlı bir yapıya sahiptir. Atomik düzeyde yapılan çalışmalarda gösterilmemesine karşın negatif elektron mikroskop çalışmaları, virüsün hücreye girişi sırasında membran füzyonu ile ilişkili konformasyonel değişimi destekler niteliktedir. Koronavirüs spike proteinlerinin konformasyonları arasında geçiş oldukça kompleks bir süreçtir. Koronavirüs spike proteininin proteolizi, sıklıkla hücreye giriş sürecinden sonra bazen reseptöre bağlanmadan sonra gerçekleştirilir. Koronavirüs spike proteininin proteolizi, doğrudan membran füzyonuna yol açabildiğinden, bu durum ayrıca membran füzyonu için temel bir tetikleyici görevi de görebilmektedir. Koronavirüs spike proteinlerinin kesiminde görev alan proteazlar, viral biyogenezin 4 farklı aşamasında etkinlik gösterirler:

a. Virüs sentezinin gerçekleştiği hücrelerde, virüsün girişi ve/veya salınımı (viral kurgu, biyogenez) sırasında görev yapan öncü protein proteazlar (örneğin furin),

b. Virüsün, hücre dışına salınımı sonrasında görev alan hücre dışı proteazlar (örneğin elastazlar),

c. Virüsün hedef hücreye tutunması sonrası görev alan hücre yüzey proteazları (Tip II transmembran serin proteazlar; TMPRSS2),

d. Virüsün, hedef hücrede endositozu sonrası görev alan lizozomal proteazlar (katepsin L ve katepsin B). Proteolize ek olarak reseptör bağlanması sürecinde düşük pH’de membran füzyonunda önemli rol oynayabilmektedir.

SARS-CoV’lerın spike protein kesimi daha çok virüsün endositoz aracılı hücreye giriş aşamasında ve lizozomal proteazlar (katepsin L ve katepsin B) tarafından gerçekleştirilir. Lizozomal proteazlara ek olarak solunum sistemindeki elastaz gibi hücre dışı proteazlar ile akciğer hücre yüzeylerindeki proteazlar, membran füzyonu için SARS-CoV spike proteinini aktive edebilir. Keza bu proteazların hücre ve doku spesifitesi, SARS-CoV’lerın solunum sistemi ve akciğerlere tropizmine katkı sağlar.

Virüs hücre içine girişinden hemen önce ve/veya hemen sonrasında spike proteini, enfekte ettiği canlının (insan) proteinleri ayrıştıran bu nedenle de proteaz adı verilen enzimleri tarafından bir ya da iki kesim bölgesinden kesime tabii tutulur. Bu işlem reseptör tanıma ile birlikte koronavirüslerin hücreye girişi için gerekli konformasyonel değişimini sağlar. S1/S2 arasındaki kesime ek olarak S2 içerisinde de ikinci bir kesim alanı olarak S2’ tanımlanmıştır. S1/S2 alanından kesim, bazı koronavirüsler için viral salınım aşamasında, SARS-CoV için ise hedef hücre ile karşılaştığında gerçekleşir. Ayrıca bu kesim S2’nin ayrışmasını artırıcı yönde teşvik sağlar. S2’nin ayrışması ise, tüm koronavirüslerin füzyon (kaynaşma) aktivasyonu için esastır. S1/S2 alanından kesim, S2 üzerindeki S1’in yapısal baskısını kaldırmasına karşın S2’ bölgesinden kesim ise virüs ve enfekte ettiği hücre arasındaki kaynaşma ve sonucunda virüsün hücre içine eklenmesi ve salınımına olanak sağlar. SARS-CoV’ların hücreye girişi düşük pH’ye bağımlı olmamasına karşın, hücreye girişi için viral spike proteininin lizozomal, hücre dışı veya hücre yüzey proteazları gibi en az iki proteaz tarafından kesilmesi gereklidir.

MERS-CoV’ların hücre giriş mekanizmaları SARS-CoV’lere benzerlik gösterir. SARS-CoV’lere benzer şekilde membran füzyonunun gerçekleşmesi için MERS-CoV’lerin de hem S1/S2 alanından hem de S2’ bölgesinden proteolize (proteinlerin ayrışması) uğraması gereklidir. MERS-CoV’ler, ayrıca endositoz yoluyla konakçı hücrelere girer ve membran füzyonu için lizozomal sistein proteazlar tarafından aktive edilir. Ek olarak hücre dışı ve yüzey proteazları da MERS-CoV’ların hücre giriş aktivasyonuna katkıda bulunur. SARSCoV’lerın aksine MERS-CoV spike proteini, hücre içinde viral biyogenezin kurgu aşamasında konak öncü protein konvertazları tarafından kesilir.

Özetle; proteoliz, koronavirüslerin spike proteinlerinin membran füzyonunu tetikleyen temel bir biyolojik süreç olup, sırasıyla S1/S2 alanından kesimde olduğu gibi S2’ bölgesinden kesimde, S1 üzerindeki S2’nin yapısal baskısını kaldırarak, internal füzyon peptidinin serbest kalmasını sağlar. Birçok hücrede çok sık ve çok fazla bulunmaları sebebiyle lizozomal proteazların, spike proteininin bu sürecinde daha fazla rol alması beklenir. Nihayetinde bu tetiklemelerin temel amacı, koronavirüslerin spike proteinlerinin yapısal konformasyonları arasında geçiş/değişim/dönüşüm için gerekli enerji bariyerinin aşılmasına yöneliktir.

SARS-CoV-2’nin hem insan immün sisteminin denetiminden kaçabilmesi hem de yüksek enfektiviteye sahip olması, hızlı yayılmasına olanak tanıyan özgün virolojik özellikleridir. COVID-19’lu hastalarda nötralizan nitelikli antikorlar düzeylerinin ve nötralizan kapasitelerinin yetersiz olabilmesi ile nekahet döneminin uzun süreli olması, SARS-CoV-2’nin immün denetimden kaçınabildiğine işaret etmektedir. Koronavirüslerin spike protein reseptör bağlama domainleri, reseptöre bağlanma için dik (açık) veya immün tanımadan kaçınmak için yatık (kapalı) konformasyonları arasında geçiş yapabilme özelliğine sahiptir. Yapılan elektron mikroskop çalışmalarında SARS-CoV-2 spike proteininin reseptör bağlama domaininin yapısal olarak genellikle yatık konformasyonda olduğu gösterilmiştir. SARS-CoV-2 spike proteininin reseptör bağlama domaininin yapısal olarak yatık konformasyonda olması ise reseptör bağlama domaininin ACE2’ye ulaşmasını sınırlandırabilmesine karşın insan immün sisteminin denetiminden kaçmasına da olanak sağlayabilmektedir. Dolayısıyla SARS-CoV ile karşılaştırıldığında SARS-CoV-2 reseptör bağlama domaininin, ACE2’ye daha yüksek afinite ile bağlanmasına karşın, SARS-CoV-2 S proteininin, ACE2’ye bağlanma afinitesinin daha düşük olması, spike proteininin reseptör bağlama domaininin yapısal konformasyonu ile ilişkilendirilmektedir. Bugün için yapılan in vivo ve in vitro bilimsel çalışmalarda SARS-CoV-2’nin dört aminoasitlik bir furin kesim alanına sahip olmasının, virüsün hava yollarına girişini ve insan-insan bulaşını kolaylaştırıp, artırdığı dolayısıyla önemli bir avantaj sağladığı gösterilmiştir. Nihayetinde virüsün bu genomik alanının yeni çıkan varyantlarda dikkate alındığında dikkatli izlemenin epidemiyolojik ve pandeminin kontrolü açısından gerekli ve önemli olduğu vurgulanmaktadır.

Viral enfeksiyonların seyri ve sonuçları, virüse ait viral faktörler ile enfekte bireye ait konak faktörleri ve ayrıca çevresel faktörlerin karşılıklı etkileşimi ile şekillenen dinamik bir süreçtir. SARS-CoV-2’nin spike proteinini kodlayan viral genomda doğal süreç içerisinde meydana gelen özgün mutasyon ve rekombinasyonların, virüsün tür bariyerini aşarak insanlarda bulaş yapma yetkinliği ile insan immün sisteminin denetiminden kaçabilme ve yüksek enfektivite gibi özgün virolojik karakteristik özelliklere sahip olmasına imkân sağlayarak, küresel düzeyde salgın oluşturabilmesinde de belirleyici olduğu anlaşılmaktadır. COVID-19 pandemisi ile mücadelede, enfekte bireye ve çevreye ait faktörler farklı düzeylerde de olsa kontrol edilebilir olmasına karşın viral faktörlerin kontrolü ve öngörülmesi olanaklı değildir. SARS-CoV-2’nin spike protein reseptör bağlama birimi ile reseptörü ACE2 arasındaki etkileşimin dinamiği, salgının seyri ile viral patojenite ve virülansı belirleyen temel viral faktördür. SARS-CoV-2’nin yayılımı, tüm dünyada hızla devam etmekte ve zaman içerisinde virüsün virülansının hangi yönde değişeceği henüz öngörülememektedir. Bununla birlikte salgın sürecince insan immün sistem baskısı sonucu, SARS-CoV-2 spike proteini kodlayan viral genomda, reseptörü ACE2 ile etkileşimini zayıflatacak yönde mutasyonların olması beklenebilir. Bu yönde meydana gelecek mutasyonların, salgının seyri ve sonuçlarını olumlu yönde etkileyeceği aşikârdır. Dolayısıyla mevcut salgının her yönüyle ucu açık ve bugünden öngörülemeyebilir olası sonuçları olabileceği ihtimali dikkate alınarak gerçekleştirilecek ihtiyatlı karar ve uygulamaların yaşamsal önem taşıdığı açıktır.

*Bu yazı Literatür Eczacılık Bilimleri Dergisi (Journal of Literature Pharmacy Science), 2021: DOI: 10.5336/pharmsci.2020-76645 yayın esas alınarak hazırlanmıştır.