La proteina spike è diventata un termine di uso comune durante la pandemia di COVID-19, ma non tutti comprendono appieno la sua importanza e il suo funzionamento. Questo articolo offre una panoramica dettagliata dei concetti di autofagia, mitocondri e proteina spike, esplorando come essi siano strettamente interconnessi e fondamentali per la salute a livello cellulare.
Introduzione alla Proteina Spike
La proteina spike è una glicoproteina situata sulla superficie del virus SARS-CoV-2, responsabile della malattia COVID-19. Questa proteina è fondamentale per il processo di infezione, poiché permette al virus di entrare nelle cellule umane.
La proteina spike è composta da due subunità principali: S1 e S2. La subunità S1 contiene il dominio di legame al recettore (RBD), che si attacca al recettore ACE2 delle cellule umane. Dopo che il virus è entrato nella cellula ospite, la proteina spike ha compiuto il suo scopo principale, che è facilitare l'ingresso del virus.
La struttura tridimensionale della proteina spike è stata determinata utilizzando tecniche avanzate come la cristallografia a raggi X e la microscopia crioelettronica. Queste tecniche hanno rivelato che la proteina spike assume una conformazione a forma di "corona", da cui deriva il nome "coronavirus". La proteina spike è altamente glicosilata, il che significa che ha numerosi zuccheri attaccati alla sua superficie. Questi zuccheri svolgono un ruolo importante nella protezione del virus dal sistema immunitario dell’ospite.
Infine, la proteina spike è un bersaglio chiave per gli anticorpi neutralizzanti, che sono proteine prodotte dal sistema immunitario per bloccare l’infezione.
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Meccanismo di Azione della Proteina Spike
Il meccanismo di azione della proteina spike inizia con il riconoscimento e il legame al recettore ACE2 presente sulla superficie delle cellule umane. Questo legame è mediato dal dominio di legame al recettore (RBD) della subunità S1.
Dopo il legame iniziale, la subunità S2 della proteina spike si attiva e media la fusione della membrana virale con la membrana cellulare. Questo processo è essenziale per il rilascio del materiale genetico del virus all’interno della cellula ospite, dove può iniziare la replicazione virale.
Un altro aspetto cruciale del meccanismo di azione della proteina spike è la sua capacità di evadere il sistema immunitario. Le numerose glicosilazioni presenti sulla superficie della proteina spike possono mascherare gli epitopi immunogenici, rendendo più difficile per gli anticorpi riconoscere e neutralizzare il virus. Inoltre, le mutazioni nella proteina spike possono influenzare il suo meccanismo di azione. Alcune varianti del virus SARS-CoV-2 presentano mutazioni che aumentano la sua affinità per il recettore ACE2, rendendo il virus più trasmissibile.
Ruolo nella Patogenesi del Virus SARS-CoV-2
La proteina spike svolge un ruolo centrale nella patogenesi del virus SARS-CoV-2. La sua capacità di legarsi al recettore ACE2 è il primo passo nel processo di infezione, determinando in gran parte la tropismo del virus, ovvero la sua capacità di infettare specifici tipi di cellule.
Oltre al suo ruolo nel legame e nell’ingresso cellulare, la proteina spike è anche coinvolta nell’attivazione di risposte immunitarie. Quando il virus infetta una cellula, la proteina spike viene espressa sulla superficie della cellula infetta, dove può essere riconosciuta dal sistema immunitario. La proteina spike è anche responsabile della formazione di sincizi, che sono cellule multinucleate risultanti dalla fusione di cellule infette con cellule non infette.
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Infine, la proteina spike è un fattore chiave nella variabilità genetica del virus. Le mutazioni nella proteina spike possono influenzare la trasmissibilità, la virulenza e la resistenza agli anticorpi del virus.
Interazioni con il Sistema Immunitario
Le interazioni della proteina spike con il sistema immunitario sono complesse e multifattoriali. Quando il virus SARS-CoV-2 infetta una cellula, la proteina spike viene esposta sulla superficie della cellula infetta, dove può essere riconosciuta dal sistema immunitario.
Una delle prime linee di difesa contro il virus è rappresentata dagli anticorpi neutralizzanti, che si legano alla proteina spike e impediscono al virus di entrare nelle cellule. Questi anticorpi sono prodotti dalle cellule B e sono specifici per gli epitopi presenti sulla proteina spike.
Le cellule T citotossiche rappresentano un’altra componente cruciale della risposta immunitaria contro il virus. Queste cellule riconoscono le cellule infette attraverso i peptidi derivati dalla proteina spike presentati dalle molecole MHC di classe I.
Oltre alle risposte immunitarie specifiche, la proteina spike può anche modulare la risposta immunitaria innata. Ad esempio, può indurre la produzione di citochine pro-infiammatorie, che contribuiscono alla tempesta di citochine osservata nei casi gravi di COVID-19.
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Proteina Spike e Vaccini COVID-19
La proteina spike è il principale bersaglio dei vaccini contro il COVID-19. La maggior parte dei vaccini attualmente in uso, come quelli a mRNA (Pfizer-BioNTech e Moderna) e a vettore virale (AstraZeneca e Johnson & Johnson), è progettata per indurre una risposta immunitaria contro la proteina spike.
I vaccini a mRNA contengono istruzioni genetiche per la sintesi della proteina spike, che vengono tradotte dalle cellule umane dopo la vaccinazione. Questo processo induce una forte risposta immunitaria, con la produzione di anticorpi e l’attivazione delle cellule T.
Le mutazioni nella proteina spike rappresentano una sfida significativa per l’efficacia dei vaccini. Alcune varianti del virus SARS-CoV-2 presentano mutazioni che possono ridurre l’efficacia degli anticorpi indotti dai vaccini.
Proteina Spike e Test Diagnostici
Infine, la proteina spike è anche utilizzata nei test diagnostici per COVID-19. I test sierologici, ad esempio, rilevano la presenza di anticorpi contro la proteina spike nel sangue dei pazienti, indicando una precedente esposizione al virus o la risposta a una vaccinazione.
Studio della Proteina Spike in Laboratorio
Lo studio della proteina spike in laboratorio richiede l’uso di tecniche avanzate e interdisciplinari. Una delle principali tecniche utilizzate è la cristallografia a raggi X, che permette di determinare la struttura tridimensionale della proteina a livello atomico.
La microscopia crioelettronica è un’altra tecnica cruciale per lo studio della proteina spike. Questa tecnica consente di visualizzare la proteina in condizioni quasi fisiologiche, fornendo immagini ad alta risoluzione della sua struttura.
Le tecniche di biologia molecolare sono utilizzate per esprimere e purificare la proteina spike in laboratorio. Queste tecniche includono la clonazione del gene della proteina spike in vettori di espressione, la trasfezione delle cellule ospiti e la purificazione della proteina mediante cromatografia.
Infine, i saggi di legame e i saggi di neutralizzazione sono utilizzati per valutare l’interazione della proteina spike con il recettore ACE2 e con gli anticorpi neutralizzanti. Questi saggi forniscono informazioni cruciali sull’affinità di legame, sulla potenza degli anticorpi e sull’efficacia delle mutazioni nel modulare queste interazioni.
La Proteina Spike, Non Solo un Problema di Virus
La proteina spike è diventata famosa per il suo ruolo nel COVID-19, ma esiste in molti altri tipi di virus. Questa proteina è fondamentale per il ciclo vitale dei virus, permettendo loro di entrare nelle cellule ospiti.
Possibili effetti e interazioni della proteina Spike a livello dell’organismo: alcuni studi recenti hanno evidenziato possibili interazioni di questa proteina con i meccanismi di cui abbiamo parlato sopra.
In particolare:
- Interazione con i Mitocondri: Alcune ricerche indicano che la proteina spike può interferire con i mitocondri, alterando la produzione di energia e altri processi cellulari.
- Effetto sull'Autofagia: La presenza di questa proteina può inibire o stimolare l'autofagia, con potenziali implicazioni per la salute cellulare.
Danni all’endotelio causati dalla proteina spike
Un meccanismo significativo di danno è di tipo vascolare, ed è mediato dalla proteina spike, un elemento comune della malattia da COVID-19, ed è correlato alla somministrazione di un vaccino contro il COVID-19. Proteina spike danni all’endotelio: tanti gli studi, soprattutto nel corso di questi ultimi due anni, a sostegno di questa tesi.
Le cellule endoteliali si trovano all’interfaccia tra sangue e tessuti interstiziali e svolgono un ruolo chiave nell’omeostasi vascolare. Sebbene l’infezione delle cellule endoteliali da parte di SARS-CoV-2 sia ancora oggetto di dibattito, stanno emergendo sempre più studi che forniscono spunti meccanicistici a sostegno dell’ipotesi che esista un nuovo meccanismo non infettivo attraverso il quale la proteina spike può legarsi alle cellule endoteliali interagendo con diversi recettori dell’ospite, causando molteplici casi di danno endoteliale. La proteina spike, da sola, sembrerebbe infatti indurre profonde alterazioni nel fenotipo delle cellule endoteliali, aumentando l’espressione di citochine, molecole adesive e specie reattive dell’ossigeno, oltre a compromettere la permeabilità cellulare e le funzioni metaboliche.
Tutti i dati disponibili indicano che, tra i diversi componenti della proteina spike, la subunità S1 è la principale responsabile dell’induzione della disfunzione endoteliale.
La proteina spike di SARS-CoV-2 è una proteina di fusione transmembrana di tipo I altamente glicosilata e di grandi dimensioni composta dalle subunità S1 e S2.
Vaccini a mRNA e Proteina Spike
I vaccini COVID-19 di Pfizer e Moderna contengono RNA messaggero (mRNA) modificato che codifica per la glicoproteina spike virale della sindrome respiratoria acuta grave causata dal coronavirus (SARS-CoV-2), somministrato tramite iniezioni intramuscolari. Nonostante il loro utilizzo a livello mondiale, si sa molto poco su come le modifiche a nucleosidi nelle sequenze di mRNA influenzino la loro degradazione, trascrizione e sintesi proteica.
Si sperava che le cellule immunitarie residenti e circolanti attratte nel sito di iniezione producessero copie della proteina spike mentre l’mRNA iniettato si sarebbe degradato nel giro di pochi giorni. Si stimava anche originariamente che le proteine spike ricombinanti generate dai vaccini mRNA persistessero nel corpo per alcune settimane.
La vaccinazione con mRNA arricchito con 1- metilΨ (pseudouridina) può indurre immunità cellulare agli antigeni peptidici prodotti da frameshifting ribosomiale +1 in persone con complesso maggiore di istocompatibilità diverso. La traduzione dell’mRNA 1- metilΨ utilizzando la cromatografia liquida accoppiata alla spettrometria di massa ha identificato nove peptidi derivati dal frame +1 dell’mRNA. Questi prodotti influenzano l’immunità delle cellule T dell’ospite fuori bersaglio, che include un aumento della produzione di nuovi antigeni delle cellule B con conseguenze cliniche di vasta portata.
I vaccini anti COVID-19 a mRNA codificano una proteina spike ricombinante legata alla membrana con specifiche variazioni amminoaciche introdotte per mantenere la proteina in uno stato di prefusione e in una forma non scindibile. La proteina spike prodotta dal vaccino presenta un’importante differenza rispetto alla proteina spike del SARS-CoV-2: l’inclusione di due mutazioni della prolina per stabilizzare lo stato di pre-fusione della proteina spike. Queste sono correlate a BNT162b2 di Pfizer, mRNA-1273 di Moderna, di Johnson & Johnson e NVAX-CoV2373 di NovaVax.
A causa di queste modifiche, la biodisponibilità sistemica della proteina spike o delle sue subunità è stata inizialmente esclusa fino a quando uno studio ha riportato che il tempo minimo e massimo in cui è stato rilevato il PP-Spike dopo la vaccinazione è stato rispettivamente di 69 e 187 giorni.
Gli esami analitici indicano tempi di decadimento significativamente più lunghi sia per l’mRNA iniettato sia per la sua proteina spike ricombinante nei tessuti e nella circolazione. Inoltre, ci sono patologie documentate in pazienti asintomatici riguardo alle immunizzazioni con mRNA. La distribuzione e la persistenza del vaccino mRNA SARS-CoV-2 nei tessuti umani non erano chiare fino a quando specifici saggi basati su reazione a catena della polimerasi trascrizionale inversa quantitativa hanno rilevato il vaccino mRNA nei linfonodi ascellari nella maggior parte dei pazienti, così come nel miocardio in un sottogruppo di pazienti vaccinati entro 30 giorni dalla morte.
L’esame della spettrometria di massa dei campioni di sangue umano ha riportato la presenza di frammenti specifici della proteina spike ricombinante dopo la somministrazione di vaccini a base di mRNA nel 50% dei campioni fino a 187 giorni dopo la vaccinazione.
I meccanismi suggeriti includono l’integrazione dell’mRNA stabile iniettato nel genoma delle cellule somatiche, che potrebbe portare alla trascrizione e traduzione di una riserva di proteine spike attivamente costitutive.
Gli acidi ribonucleici stabilizzati e poi iniettati, che rimangono in vari tessuti fino a 30 giorni, possono fungere da modelli per la funzione promiscua della trascrittasi inversa della polimerasi del DNA umano theta (Polθ) che causa la trasformazione del DNA coinvolta nella formazione del cancro.
Infatti, Polθ (polimerase theta) è altamente soggetta a errori nel portare a termine la sintesi translesionale e promuove l’unione finale microomologia-mediata delle rotture a doppio filamento (DSB) con alta fedeltà dell’RNA. È anche di fondamentale importanza considerare, durante gli sforzi di sviluppo di mRNA modificato iniettabile, che le molecole d’acqua controllano la costante di velocità per l’incorporazione dei nucleotidi nello stato pre-stabile delle polimerasi RNA e DNA, comprese quelle di Polθ.
Le scoperte sopra menzionate illuminano due fatti basilari relativi alla chimica degli acidi nucleici e al loro uso in medicina: RNA e DNA polimerasi sono inducibili da architetture di acido nucleico di varie origini patogene, esogene e/o endogene; i modelli di RNA e DNA presentano una notevole stabilità conformazionale correlata al 2H-D e resistenza alla degradazione. Ciò avviene, ad esempio, con integrazioni casuali che si verificano frequentemente nei DSB (rotture a doppio filamento) nel genoma.
La stabilizzazione dell’RNA attraverso modifiche strutturali di base interrompe l’instabilità intrinseca dei modelli di acido ribonucleico messaggero, con conseguenze biologiche di sicurezza di ampia portata.
Gli mRNA naturali prodotti trascrizionalmente, comprese le strutture a coda poliadenilata terminate a 5′-capped e/o 3′, mostrano un’emivita di 16,4 h nel sangue umano, che è la più corta tra gli RNA circolari (circRNA; 24,56 ± 5,2 h), gli RNA lunghi non codificanti (lncRNA; 17,46 ± 3,0 h) e i microRNA (miRNA; 16,4 ± 4,2 h).
Per la sicurezza biologica di prevenire traduzioni multiple incontrollate, la degradazione dell’mRNA avviene mediante scissione spontanea della parte zuccherina pentoso tramite i suoi legami fosfodiestere e reazioni di transesterificazione intramolecolare. E’ evidente che lo stato di protonazione o deuterazione del gruppo 2′-idrossile nucleofilo è un fattore critico per la velocità di degradazione dell’RNA. La geometria esatta dei gruppi chimici che compongono ciascun legame internucleotidico ha anche un’influenza importante sull’attività di cleavage.
In una vasta gamma di condizioni fisiologiche, la rapida e spontanea degradazione dell’RNA avviene per preservare l’integrità genetica prevenendo l’azione della trascrittasi inversa degli enzimi polimerasi a livello del loro substrato.
Le consegne di massa a livello mondiale di specie di mRNA modificato iniettabile con emivite imprevedibili, alcune vicine a 30 giorni nei tessuti linfatici umani e nel muscolo cardiaco, sollevano gravi interrogativi sulla sicurezza biologica delle terapie con ribonucleotidi traducibili.
I fattori nutrizionali e ambientali che limitano la plasticità biologica, coerenti con un lento turnover e degrado dell’mRNA, coinvolgono fortemente la chimica dell’acqua intracellulare e la deutenomica. Un recente rapporto conferma il ruolo principale della plasticità dell’acqua intracellulare nella trasformazione tra un fenotipo normale e uno canceroso delle cellule umane con aneuploidia. Mentre le dinamiche delle molecole d’acqua rimangono praticamente inalterate passando da cellule sane a cellule cancerose, l’acqua citoplasmatica strutturata (particolarmente i movimenti rotazionali) subisce una significativa trasformazione plastica durante la transizione da normale a cancerosa.
Gli effetti isotopici cinetici di 2H-D formano interazioni non covalenti tra biomolecole, inclusi legami idrogeno e interazioni ioniche e di van der Waals. Ad esempio, l’acido aurintricarbossilico inibisce fortemente la ribonucleasi A come inibitore della degradazione dell’mRNA per lo sviluppo di tali vaccini. D’altra parte, nella sua forma deuterata, l’acido aurintricarbossilico si lega facilmente al sito attivo dell’enzima proprio come fa l’RNA, esercitando un effetto inibitorio da 3 a 6 volte sulla degradazione dell’RNA.
Gli studi clinici riportano che i vaccini mRNA SARS-CoV-2 persistono fino a 30 giorni nei linfonodi e nel muscolo cardiaco in caso di infiammazione, fibrosi e cicatrizzazione dei punti infartuali.
I vaccini Spikevax (mRNA-1273, Moderna) e Comirnaty (BNT162b2, Pfizer/Biontech) presentano effetti collaterali cardiovascolari, che per la maggior parte possono essere classificati in base ai loro sintomi clinici come miocardite e/o pericardite. Più specificamente, l’mRNA-1273 induce aritmie così come contrazioni irregolari associate a transitori di calcio localizzati. Questi indicano un significativo malfunzionamento del recettore rianodinico cardiaco (RyR2) dopo le iniezioni di mRNA-1273. Al contrario, è stata osservata una maggiore attività della proteina chinasi A (PKA) nei cardiomiociti trattati con BNT162b2.
Non solo le molecole di mRNA iniettate nei vaccini possono persistere per mesi, ma anche i loro prodotti proteici spike ricombinanti possono rimanere in circolazione per oltre sei mesi (187 giorni). Questo fatto merita un’attenta analisi a causa della potenziale cardiotossicità diretta. Uno studio che includeva 303 pazienti non vaccinati e 700 pazienti vaccinati ha mostrato che i pazienti vaccinati avevano un’assunzione complessiva di 18F-deossiglucosio (FDG) miocardico più elevata, un indicatore di grave insufficienza metabolica del muscolo cardiaco tipicamente a causa di ischemia, indipendentemente dal sesso o dall’età. Inoltre, un’assunzione miocardica di 18F-FDG severamente aumentata è stata osservata nei pazienti sottoposti a imaging dopo la loro seconda vaccinazione con un aumento dei linfonodi ascellari ipsilaterali rispetto ai pazienti non vaccinati. Quest’ultima scoperta indica che le vaccinazioni con mRNA non solo causano un’infiammazione miocardica asintomatica, ma l’effetto continua molto tempo dopo la vaccinazione a 6 mesi senza sintomi clinici apparenti.
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