A differenza del SARS-CoV che causò l'epidemia del 2002-2003, il virus dell’attuale pandemia, il SARS-CoV-2, ha subito ben poche variazioni genetiche significative da quando, alla fine di dicembre 2019, è stato isolato e sequenziato in Cina.
Questo virus quindi nasce apparentemente già maturo e dotato di un’infettività sufficiente a diffondersi rapidamente e a circolare per lungo tempo.
Come è noto, il virus è di origine zoonotica e il salto dall’animale all’uomo è avvenuto in Cina, dove molto probabilmente ha circolato sotto traccia per un tempo imprecisato prima di diffondersi in tutto il mondo, infettando popolazioni con caratteristiche genetiche diverse da quelle del suo luogo di origine e di iniziale diffusione.
L’ospite umano è l’ambiente al quale il virus si deve adattare, o meglio con il quale si deve misurare, visto che per il virus l’adattamento è in realtà una pace armata con l’ospite.
È quindi verosimile che, con il diffondersi presso nuove popolazioni, possano selezionarsi nuove varietà virali.
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Nei coronavirus, la selezione negativa, cioè l’eliminazione di varianti che riducono la capacità del virus di riprodursi, è largamente preponderante rispetto alla selezione positiva.
La Mutazione D614G nella Proteina Spike
Una delle poche mutazioni sulle quali ha agito una selezione positiva in SARS-CoV-2 - e di gran lunga la più frequente - è una mutazione non-sinonima, cui cioè corrisponde la sostituzione di un aminoacido nella proteina codificata.
Questa mutazione determina la sostituzione con una glicina (G) al posto dell’acido aspartico (D) nella proteina Spike, quella che forma gli "spunzoni" sulla superficie esterna del virus, come fossero le punte di una corona (da cui il nome Coronavirus).
La proteina Spike è un elemento essenziale per la riproduzione virale, perché provvede al riconoscimento e al legame del virus al suo recettore (ACE2, enzima di conversione dell’angiotensina 2) e alla fusione della membrana virale con quella delle cellule dell'ospite.
Con la fusione, il genoma virale e le proteine necessarie per la sua replicazione sono riversate all’interno delle cellule.
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Le caratteristiche della proteina Spike di SARS‑CoV‑2 rappresentano a tutti gli effetti la chiave di lettura di molti aspetti legati all’infezione ed alla sua diffusione (Fig. 1).
La proteina Spike è altamente immunogena; la sua porzione recettoriale (RBD) si lega alle cellule e favorisce l’ingresso del virus.
Affinché SARS‑CoV‑2 penetri le cellule è essenziale che avvenga un processo di trasferimento transmembrana basato su un’attivazione biochimica mediata da RBD di Spike su cellule che esprimono ACE-2 (enzima 2 di conversione dell’angiotensina) e TMPRSS-2 (Transmembrane Serine Protease 2) 1.
Cambiamenti nella conformazione della proteina Spike e di conseguenza del suo potere immunogeno sono alla base dell’insorgenza della maggior parte delle mutazioni e quindi delle varianti.
Guardando all’evoluzione di SARS‑CoV‑2, occorre sottolineare innanzitutto come la capacità di mutazione dei coronavirus sia generalmente più bassa rispetto a quella di altri virus a RNA 3.
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Tuttavia, l’elevata diffusione dell’infezione è noto aumentare di per sé la probabilità di insorgenza di mutazioni 4.
Generalmente, allo stesso tempo, è ben noto come la maggior parte delle mutazioni di un virus non solo non risulti essere né meno aggressiva né più deleteria rispetto al virus originale, ma una buona proporzione di esse sarà probabilmente più benevola 3,4.
La nota mutazione D614G (variante inglese) ha ad esempio consentito alla proteina Spike di diventare più infettante.
Origine e Diffusione della Mutazione D614G
La mutazione D614G è stata osservata per la prima volta a gennaio 2020, in Cina in tre genomi e in Germania in un genoma di origine cinese.
Probabilmente quindi la mutazione è originata in Cina, dove però è rimasta largamente minoritaria rispetto al tipo originario (wild), D614.
La diffusione della variante D614G è associata alla diffusione del virus in Europa, dove già alla fine di febbraio era preponderante, e nelle Americhe.
Alla fine di marzo, la mutazione era presente nel 70% dei genomi in Europa e nel 60% di quelli della costa atlantica degli USA, esposta all’importazione di virus dall’Europa.
Nella costa pacifica degli USA, per esempio nello stato di Washington, a una prima fase di assoluta prevalenza del tipo wild D614, compatibilmente con l’origine cinese, ha fatto seguito una seconda fase di prevalenza del tipo mutato D614G, di origine europea (si vediano Korber et al.
Ipotesi sulla Prevalenza della Mutazione D614G
Questa evoluzione dell’epidemiologia del virus può essere spiegata da varie ipotesi.
La prevalenza del tipo mutato potrebbe essere puramente casuale ed essere dovuta, per esempio, al fatto che la diffusione del virus in Europa deriva da un numero limitato di soggetti infettati dal tipo mutato (effetto fondatore), oppure da una deriva genetica (genetic drift).
Rimane quindi l’ipotesi più suggestiva e cioè che la mutazione comporti un guadagno in termini di capacità del virus di diffondersi e riprodursi nell’ospite umano; la sua diffusione e prevalenza sul tipo wild sarebbe quindi il risultato di una selezione positiva.
Allo scopo di testare questa ipotesi, si è studiata la relazione tra i due tipi di virus e la carica virale dei pazienti dai quali i virus erano stati isolati, e in effetti si è osservato che il tipo wild era associato a cariche virali nei tamponi orofaringei più basse rispetto a quelle dei soggetti portatori del tipo mutato.
Invece, non si osservano differenze nella prevalenza di ricoveri in ospedale o in terapia intensiva associati ai due tipi di virus.
Purtroppo, i dati di letalità sono notoriamente poco affidabili, perché la modalità con cui sono generati può variare significativamente tra i vari paesi.
Impatto della Mutazione D614G sull'Infettività
Una svolta nella conoscenza della relazione tra proprietà patogenetiche del virus e mutazione D614G è avvenuta a opera di quattro recenti lavori pubblicati preliminarmente su bioRxiv e non ancora sottoposti a revisione (Daniloski et al., Hu et al., Ozono et al. e Zhang et al.).
Questi studi hanno testato la capacità delle proteine Spike del tipo wild e mutato, espresse da pseudo virus di natura diversa dal coronavirus (lentivirus), di infettare cellule coltivate in vitro che esprimono il recettore virale, l’ACE2.
Sono in accordo nel concludere che la mutazione della Spike aumenta la concentrazione del virus all’interno delle cellule e quindi la sua infettività.
Come abbiamo visto, mentre in Europa e negli USA è prevalente il tipo mutato, in Cina il tipo wild originario rimane il più diffuso.
Questa osservazione suggerisce l’esistenza di differenze genetiche tra i soggetti di origine europea e quelli di origine cinese che condizionano l’influenza della mutazione sull’infettività del virus.
Bhattacharyya et al. e Russo et al., in maniera indipendente, hanno osservato che nella popolazione di origine europea è molto frequente una mutazione, questa volta a carico del genoma umano che, in presenza del virus mutato, attiva una cascata biochimica il cui risultato è un’aumentata fusione tra virus e cellule dell’ospite e una aumentata trasduzione del virus in queste cellule.
Nei cinesi, la mutazione del virus non è altrettanto efficace nel favorire l’infettività virale perché in quella popolazione la mutazione è molto rara.
Un altro aspetto che può costituire un ulteriore fattore di selezione positiva del virus mutato in 614 è il suo comportamento nei confronti degli anticorpi elaborati dall’ospite.
Recentemente è stato riportato, ancora una volta in forma non revisionata, che gli anticorpi prodotti da pazienti infetti nei confronti di virus con la mutazione sono meno efficaci nel neutralizzare il virus rispetto a quelli prodotti nei confronti del tipo wild, D614.
Questa osservazione suggerisce che la mutazione D614G si sia diffusa anche come effetto della pressione selettiva esercitata dagli anticorpi dell’ospite, nei confronti dei quali la mutazione fornisce al virus una difesa rispetto al tipo wild.
Evoluzione Intrapandemica e Significato Biologico
Da questa rassegna necessariamente sintetica si possono trarre una serie di considerazioni sull'evoluzione intrapandemica del virus, sul suo significato biologico e sulle possibili ricadute di natura sanitaria.
L’ipotesi esplicativa più parsimoniosa della prevalente diffusione della mutazione D614G in Europa e USA è che la mutazione aumenti l’infettività del virus nei soggetti di origine europea.
Per quanto riguarda il significato biologico generale, la prevalenza della mutazione D614G appare secondaria a un guadagno adattativo.
Come dimostrato dagli effetti patogenetici di questa mutazione, tuttavia, il guadagno in termini di adattamento non si associa a una diminuzione ma a un aumento di infettività.
Quindi, se la mutazione si è affermata nella popolazione di origine europea non è perché il virus si è indebolito.
Da un punto di vista di sanità pubblica, dato che attualmente il tipo di virus circolante in Italia è in maniera prevalente il tipo mutato, è evidente che nulla è cambiato, per quando riguarda le proprietà del virus, rispetto a metà marzo 2020, quando l’epidemia in Italia era all’apice.
Le Varianti del SARS-CoV-2
Dall’inizio della pandemia ad oggi sono ben 140.000 i genomi sequenziati, e già 12.000 le mutazioni riscontrate nelle “spine” dell’involucro esterno del coronavirus, chiamate “spike”.
Oltre poi a tutte le altre mutazioni riscontrate in altre parti del virus.
Un virus che presenta una o più mutazioni nuove viene definito "variante" del virus originale.
Per essere classificata come rischiosa o VOC (variante di preoccupazione, in inglese Variant Of Concern), una variante deve soddisfare i seguenti requisiti:
- provocare un aumento della trasmissibilità;
- provocare variazioni negli indicatori epidemiologici;
- provocare un aumento della virulenza;
- provocare cambiamenti nella presentazione clinica della malattia;
- rappresentare un rischio per l'immunità derivante dall'infezione naturale;
- provocare una diminuzione dell'efficacia delle misure di contenimento sanitarie o cliniche, come ad esempio la vaccinazione.
Quando invece una variante non desta ancora preoccupazione, ma è semplicemente da tenere sotto controllo, si usa la terminologia "variante di interesse" (VOI, Variant Of Interest in inglese).
Al momento le varianti più diffuse sono la variante “inglese”, la “sudafricana”, la “brasiliana” e la "indiana", chiamate così in base alla nazione nella quale sono state isolate.