Basta un poco di zucchero... o no?

Sicuramente quest'anno un po' meno degli altri anni, ma tutti noi abbiamo familiarità con questa operazione: decorare un pandoro con dello zucchero a velo. Mi sembrava un'immagine appropriata per aprire questo post in cui parlerò di un aspetto che spesso viene tralasciato nelle simulazioni di biofisica computazionale ma che è importantissimo, ovvero la presenza degli zuccheri. L'occasione non è soltanto la grande quantità di zuccheri che questo Natale in casa ci ha costretto ad assumere, anche perché in qualche modo dovevamo pur gratificarci...  ma un recente articolo che riguarda proprio il ruolo degli zuccheri nel meccanismo di infezione del maledetto virus Sars-Cov-2 che ormai ha segnato le nostre vite da quasi un anno a questa parte.
Il titolo del lavoro, pubblicato sulla rivista American Chemical Society Central Science, è "Oltre lo scudo: il ruolo dei glicani nella proteina Spike del virus Sars-Cov-2".

Non sono un virologo e quindi lungi da me cercare di descrivere un meccanismo così complesso come l'infezione da Sars-Cov-2, ma cercherò di ricapitolare un po' come funziona questo virus a RNA per poter spiegare la portata innovativa di questo recente studio. Anzi, per cominciare, partirò proprio dalle parole con cui comincia l'articolo, tradotte e riadattate da me, anche perché sono scritte con un tono piatto e scientifico che, francamente, di fronte a questo maledetto virus, non so per quanto potrei sostenere.

"Covid-19 è il nome di una malattia infettiva respiratoria che ha fatto la sua comparsa a Wuhan, in Cina, verso la fine del 2019 ed è ormai diffusa in tutto il mondo come pandemia globale. Non è la prima volta che un coronavirus ha posto una minaccia alla salute umana. Il coronavirus SARS-CoV-2 è l'agente patogeno che causa il Covid-19 e appartiene alla stessa famiglia di virus (i Coronaviridae) della SARS e della sindrome respiratoria del Medio Oriente (MERS), che hanno già causato precedenti epidemie. A causa della mancanza di immunità, il Covid-19 ha già determinato una perdita catastrofica di vite umane in tutte il mondo e un danno economico significativo." Fin qui, diciamo che avrei potuto scrivere anche io e credo che sia tutto non solo chiaro, ma ormai noto a chiunque non sia in preda a deliri negazionistici. 

Andiamo avanti, però: "I coronavirus, incluso il SARS-Cov-2, sono virus a RNA a filamento positivo racchiusi in un guscio lipidico." Ok, qui cerchiamo un po' di capire: i virus a RNA a filamento positivo sono virus che racchiudono all'interno acido ribonucleico che può essere direttamente tradotto in proteine dai meccanismi interni delle nostre cellule. In altre parole, questi virus iniettano il loro RNA nelle nostre cellule, ma non si tratta di materiale che va a sostituire il nostro DNA, bensì materiale che viene interpretato dai nostri meccanismi cellulari per produrre le proteine che in realtà servono al virus per replicarsi. E' un po' come se un terrorista si impossessasse delle nostre cellule e le dirottasse affinché producano altri terroristi anziché svolgere il loro onestissimo compito. Attenzione: questo è importante anche per capire che il vaccino a mRNA che stiamo finalmente utilizzando per contrastare il virus non può in alcun modo alterare il nostro DNA, come si sente dire in giro. Come specificato dagli autori, l'RNA è contenuto in un guscio di lipidi, ovvero grassi, di cui ho già parlato ampiamente in questo blog: i lipidi formano le membrane, non solo quelle delle cellule, ma anche quelle che avvolgono l'RNA in questo tipo di virus.

Andiamo avanti nella lettura dell'articolo: "Insieme alla membrana derivata dall'ospite (cioè prodotta a partire dalla nostra, un bel meccanismo che usano i virus per eludere il nostro sistema immunitario, ndR), un insieme di proteine strutturali fornisce un'impalcatura organizzata che avvolge e contiene l'RNA del virus. Tra queste proteine, la più critica è la proteina Spike, che è conservata, anche se con qualche variazione, in tutta la famiglia dei Coronaviridae e gioca un ruolo fondamentale nella fase iniziale di attacco e fusione alla cellula ospite." La Spike è la proteina rappresentata qui a lato: si tratta di una proteina decisamente grande, formata da 3 catene (monomeri A, B e C in figura) e che può trovarsi in una forma chiusa e una forma aperta, come nella figura sopra. Ci sono due sigle nella figura: NTD sta per N-terminal domain, ovvero il dominio N-terminale (l'N-terminale è semplicemente una delle due estremità della catena, l'altro è il C-terminale), e la RBD che sta per Receptor Binding Domain, ovvero il dominio che si lega al recettore. La RBD è responsabile dell'interazione con una proteina delle nostre cellule, ovvero la ACE2 (enzima di conversione della angiotensina 2). La ACE2 svolge diversi ruoli nelle nostre cellule ed è indispensabile per il loro corretto funzionamento: tuttavia rappresenta anche il nostro tallone di Achille, perché è proprio alla ACE2 che si lega la proteina Spike per cominciare la fusione della membrana del virus con la nostra e quindi far entrare l'RNA virale all'interno delle nostre cellule.

La Spike è dunque indispensabile al virus per poter entrare in contatto con le nostre cellule: non è quindi un caso che le ricerche si siano concentrate proprio su questa proteina. Una reazione degli anticorpi alla Spike specifica del Sars-CoV-2 determina il blocco dell'infezione e, soprattutto, l'incapacità del virus di replicarsi e contagiare altre persone. I vaccini attualmente autorizzati funzionano proprio sulla Spike: l'RNA contenuto nel vaccino infatti consente di formare proteine Spike sulla superficie delle nostre cellule senza però che a queste corrispondano particelle di virus. Il sistema immunitario impara quindi a riconoscere queste cellule anomale ricoperte di Spike virali e a distruggerle: quando entriamo a contatto con il virus, i nostri anticorpi sono già in grado di riconoscere le Spike e di evitare dunque che il virus possa replicarsi dopo il suo ingresso nel nostro corpo.

C'è però un altro aspetto della Spike che spesso non viene tenuto in considerazione: la glicosilazione, un processo che lega gli zuccheri alla superficie della proteina. La glicosilazione gioca un ruolo molto importante nello sviluppo dei virus. Ad esempio, il virus dell'HIV (che causa l'AIDS) ha una corrispondente proteina Spike che si chiama Env (perché si trova sul guscio o envelope) che è quasi interamente ricoperta di N-glicani. Questi ultimi sono impacchettati con una densità talmente alta che rendono conto di più della metà del peso della proteina: i loro ruoli biologici sono molto vari e accuratamente selezionati per lo scopo del virus, che resta sempre quello di entrare nelle nostre cellule e riprodursi. L'ingresso del virus è spesso mediato proprio dagli N-glicani che permettono l'ancoraggio ai recettori delle nostre cellule. Non solo: questi carboidrati producono una risposta immunitaria molto indebolita, per cui fanno da scudo al virus che, indossando questo mantello di carboidrati, riesce a camuffarsi e ad eludere il nostro sistema immunitario.

Per fortuna, nel caso dei virus SARS, MERS e SARS-CoV-2, il meccanismo di copertura non è così raffinato come nella Env. I siti di glicosilazione sono relativamente pochi (22, di cui 17 risultano occupati). Questo ha due importanti conseguenze: la prima è che, a differenza del virus dell'HIV, il nostro sistema immunitario riesce a rispondere meglio a questi virus; la seconda è che è possibile agganciare ai siti di glicosilazione gli N-glicani e provare a simulare il sistema della proteina Spike con tutto il suo glorioso mantello di carboidrati. E' proprio quello che è stato fatto in questo studio decisamente innovativo, anche perché gli autori hanno condotto simulazioni davvero molto lunghe e molto accurate, utilizzando anche due force field diversi per confrontare i risultati e confermare che non fossero dipendenti dalla scelta dei parametri. Non solo: un altro dei motivi per cui considero davvero importante questo studio è che non si tratta solo di uno studio computazionale, ma ci sono anche dati sperimentali che sono stati confrontati con le simulazioni. 

Come sanno i miei studenti (lo ripeto sempre), un conto è far girare una simulazione e interpretare quello che si vede dai filmati ottenuti con i nostri sofisticati programmi di visualizzazione: ben altro è confrontarsi con risultati ottenuti in laboratorio, in esperimenti che sono davvero difficili da realizzare. E' proprio lì che si fa davvero biofisica computazionale: finché si tratta di produrre modelli, la ricerca in biologia fa ben pochi progressi. I progressi ci sono quando i modelli diventano predittivi perché si sono confrontati con i dati sperimentali.
In questo specifico caso, gli autori hanno dimostrato che, mutando alcuni siti di glicosilazione sulla Spike si possono ottenere due effetti, entrambi cruciali per la lotta al Covid-19. Il primo è che una Spike mutata (in particolare con le mutazioni N165A e N234A) potrebbe avere un equilibrio alterato tra lo stato aperto e lo stato chiuso, ed essere più debole nel riconoscimento dei recettori della ACE2: un virus con queste mutazioni sulla Spike potrebbe quindi risultare più debole dal punto di vista dell'infezione, ma comunque stimolare la nostra risposta immunitaria. Ci permetterebbe dunque di avere una forma molto debole di Covid-19 con cui immunizzarci senza correre rischi. Il secondo è che la Spike mutata avrebbe meno possibilità di nascondersi con il mantello di carboidrati e quindi sarebbe comunque più facilmente riconoscibile dal nostro sistema immunitario. Entrambe queste conclusioni sono potenzialmente importanti non solo per lo sviluppo dei vaccini, ma anche per individuare possibili siti sui quali intervenire con dei farmaci che rendano il virus meno pericoloso anche quando ormai è presente nel nostro corpo.

Come ho sentito dire da alcuni virologi: finora con questo virus abbiamo giocato in difesa, cercando di evitare il contagio con il distanziamento sociale e le misure tristemente famose. Finalmente è arrivato il momento di sferrare i nostri attacchi: vaccini e cure farmacologiche ci permetteranno di riprendere la nostra vita sociale. Sarebbe il mio augurio per questo nuovo 2021. Ce la faremo entro quest'anno? Dipenderà da quanto saremo efficienti nel vaccinarci tutti e, come sempre, da quanto vorremo continuare a investire negli studi scientifici rigorosi che ci permettono di comprendere quanto accade intorno a noi e, di conseguenza, dentro di noi.