DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2300644120
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38306481
تاريخ النشر: 2024-02-02
المؤلف: Yue Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الببتيدات المضادة للميكروبات والأنشطة
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على فجوة حاسمة في الفهم الحالي لمرض فيروس كورونا، وتحديدًا نقص المعايير للتمييز بين الفيروسات التي يمكن أن تسبب جائحات شديدة وتلك التي تؤدي إلى أمراض خفيفة مثل الزكام. يقترح المؤلفون منظورًا جديدًا من خلال رؤية الفيروسات التاجية ليس فقط كعوامل معدية ولكن كخزانات من أنماط الببتيد المكررة. هذه الأنماط، على الرغم من عدم تصنيفها كأنماط جزيئية مرتبطة بالعوامل الممرضة (PAMPs)، يمكن أن تعزز الاستجابات المناعية بشكل كبير من خلال التجميع الذاتي مع PAMPs.
تقدم الدراسة أدلة على أن قطع الببتيد المشتقة من SARS-CoV-2، على عكس المتجانسات الفيروسية التاجية الحميدة، يمكن أن تتفاعل مع RNA مزدوج الشريطة (dsRNA) لتشكيل هيكل نانوي بلوري مؤيد للالتهاب. تؤدي هذه التفاعلات إلى التعرف المناعي التعاوني ومتعدد القيم، مما يؤدي إلى استجابات التهابية مضخمة بشكل ملحوظ. تشير هذه النتائج إلى آلية يمكن من خلالها لبعض الفيروسات التاجية أن تحفز ردود فعل التهابية شديدة، مما يوفر رؤى حول قدرتها المحتملة على التسبب في جائحات.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مصنف قائم على آلة الدعم الناقل (SVM) لتحديد تسلسلات شبيهة بالببتيد المضاد للميكروبات (xenoAMPs) داخل بروتينات SARS-CoV-2، مع تحليل تسلسلات من البروتين متعدد ORF1ab، بروتين السنبلة، وبروتين الغشاء. استخدم المصنف نهج النافذة المتحركة، حيث تم فحص مقاطع من 24-34 حمض أميني وإنتاج درجة σ للإشارة إلى احتمال أن يكون التسلسل AMP. ترتبط درجة σ أكبر من 1.1 باحتمالية عالية (P(+1) > 0.98)، بينما تشير الدرجات السلبية إلى احتمال منخفض (P(+1) < 0.50). شملت الدراسة نتائج مفصلة من البروتينات المحددة، مع بيانات هيكلية مأخوذة من RCSB PDB وتنبؤات باستخدام RaptorX لبروتين الغشاء. تم تقييم النشاط المضاد للميكروبات لـ xenoAMPs المحددة باستخدام اختبار انتشار شعاعي صارم (RDA) عند مستويات pH من 7.5 و 5.5 ضد سلالتين بكتيريتين: MRSA (LAC-USA300) وPseudomonas aeruginosa المقاومة للأدوية (PA01). تم إعداد الثقافات البكتيرية وزرعها على أطباق الأجار، حيث تم إدخال xenoAMPs لتقييم تأثيراتها المثبطة. تم قياس قطر مناطق التثبيط بعد الحضانة، مع متوسط النتائج من أربع تجارب مستقلة. بالإضافة إلى ذلك، توفر الدراسة الوصول إلى مجموعات البيانات ذات الصلة والرموز لمزيد من التحليل، مما يضمن الشفافية وقابلية التكرار في نتائج البحث.
النتائج
في هذه الدراسة، يحقق المؤلفون في وجود وخصائص تسلسلات شبيهة بـ AMP، تُسمى xenoAMPs، داخل بروتين SARS-CoV-2. باستخدام مصنف قائم على آلة الدعم الناقل (SVM)، يحددون xenoAMPs المحتملة من خلال مسح تسلسلات بروتين SARS-CoV-2 باستخدام نهج النافذة المتحركة، مما يكشف عن تسلسلات تظهر خصائص شبيهة بـ AMP قوية على الرغم من التشابه المنخفض مع AMPs المعروفة. تسلط التحليلات الضوء على ثلاثة مرشحين محددين لـ xenoAMP من البروتين متعدد ORF1ab، بروتين السنبلة، وبروتين الغشاء، جميعها تظهر شحنة كاتيونية عالية ونشاط مضاد للميكروبات كبير ضد سلالات بكتيرية متنوعة، بما في ذلك المكورات العنقودية الذهبية المقاومة للميثيسيلين (MRSA).
تشير النتائج إلى أنه يمكن توليد xenoAMPs أثناء التحلل البروتيني، وخاصة بواسطة البروتيازات مثل الإيلاستاز المحببة وبروتيناز المصفوفة-9، المرتبطة بإصابة الرئة الحادة والالتهاب المفرط. يكشف التحليل المقارن مع التسلسلات المتجانسة من فيروس الزكام الخفيف HCoV-OC43 أن SARS-CoV-2 يمتلك وفرة أكبر من xenoAMPs ذات الدرجات العالية، مما يشير إلى إمكانية محسّنة لتعديل المناعة. تؤكد النتائج على الاختلافات النظامية في توزيع xenoAMP والتسجيل بين SARS-CoV-2 وHCoV-OC43، مما يشير إلى أن قابلية الأول الأعلى للإنتقال ومعدلات التكاثر قد تؤدي إلى زيادة توفر xenoAMP في المضيفين المصابين. بشكل عام، توفر الدراسة رؤى حول الدور المحتمل لـ xenoAMPs في مسببات SARS-CoV-2 وتأثيراتها على استجابات المناعة لدى المضيف.
المناقشة
في هذه المناقشة، يقدم المؤلفون آلية جديدة يمكن من خلالها لـ SARS-CoV-2 أن ينشر الالتهاب من خلال إطلاق قطع الببتيد الفيروسي التي تحاكي الببتيدات المضادة للميكروبات (AMPs) مثل LL-37. تظهر هذه xenoAMPs شحنة كاتيونية أعلى، مما يسهل تفاعلها مع الأحماض النووية السالبة الشحنة، مما قد يؤدي إلى تشكيل مجمعات مؤيدة للالتهاب. تسلط الدراسة الضوء على أن مثل هذه المجمعات يمكن أن تنشط الاستجابات المناعية في الخلايا غير المصابة، مما قد يفسر الحالة الالتهابية المفرطة التي لوحظت في مرضى COVID-19، والتي تشبه الاضطرابات المناعية الذاتية. كما يشير المؤلفون إلى أن وجود بروتيازات متنوعة في المضيف قد يسهم في توليد هذه xenoAMPs، مما يعقد الاستجابة المناعية.
كشفت تحليلات الطيف الكتلي لعينات من سحب القصبة الهوائية من مرضى COVID-19 الشديدين عن وجود قطع LL-37 وقطع ببتيد SARS-CoV-2، حيث أظهرت الأخيرة قدرة كبيرة على تنشيط المناعة. وجدت الدراسة أن مجمعات xenoAMP-poly(I:C) أدت إلى مستويات أعلى من السيتوكينات المؤيدة للالتهاب، مثل IL-6 وIL-8، مقارنة بالببتيدات المتجانسة من الفيروسات التاجية غير الوبائية. وهذا يشير إلى أن التسلسلات الفريدة لـ xenoAMPs من SARS-CoV-2 هي بشكل جوهري مؤيدة للالتهاب ويمكن أن تؤدي إلى اختلال المناعة الشديد. تؤكد النتائج على أهمية فهم دور xenoAMPs في علم الأمراض المرتبط بـ COVID-19 وإمكاناتها كأهداف للتدخل العلاجي للتخفيف من الالتهاب والمضاعفات المرتبطة به.
DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2300644120
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38306481
Publication Date: 2024-02-02
Author(s): Yue Zhang et al.
Primary Topic: Antimicrobial Peptides and Activities
Overview
The research highlights a critical gap in the current understanding of coronavirus pathogenicity, specifically the lack of criteria to distinguish between viruses that can cause severe pandemics and those that lead to mild illnesses like the common cold. The authors propose a novel perspective by viewing coronaviruses not merely as infectious agents but as reservoirs of replicated peptide motifs. These motifs, while not classified as pathogen-associated molecular patterns (PAMPs), can significantly enhance immune responses through self-assembly with PAMPs.
The study presents evidence that peptide fragments derived from SARS-CoV-2, in contrast to benign coronavirus homologs, can interact with double-stranded RNA (dsRNA) to form a proinflammatory nanocrystalline structure. This interaction leads to cooperative and multivalent immune recognition, resulting in markedly amplified inflammatory responses. These findings suggest a mechanism by which certain coronaviruses can trigger severe inflammatory reactions, providing insights into their potential for causing pandemics.
Methods
In this study, a support vector machine (SVM)-based classifier was employed to identify antimicrobial peptide-like sequences (xenoAMPs) within SARS-CoV-2 proteins, specifically analyzing sequences from the ORF1ab polyprotein, spike protein, and membrane protein. The classifier utilized a moving window approach, examining segments of 24-34 amino acids and producing a σ score to indicate the likelihood of a sequence being an AMP. A σ score greater than 1.1 correlates with a high probability (P(+1) > 0.98), while negative scores indicate low probability (P(+1) < 0.50). The study included detailed results from the identified proteins, with structural data sourced from the RCSB PDB and predicted using RaptorX for the membrane protein. The antimicrobial activity of the identified xenoAMPs was assessed using a rigorous radial diffusion assay (RDA) at pH levels of 7.5 and 5.5 against two bacterial strains: MRSA (LAC-USA300) and drug-resistant Pseudomonas aeruginosa (PA01). Bacterial cultures were prepared and inoculated onto agar plates, where xenoAMPs were introduced to assess their inhibitory effects. The diameter of the inhibition zones was measured after incubation, with results averaged from four independent experiments. Additionally, the study provides access to relevant datasets and code for further analysis, ensuring transparency and reproducibility in the research findings.
Results
In this study, the authors investigate the presence and characteristics of AMP-like sequences, termed xenoAMPs, within the SARS-CoV-2 proteome. Utilizing a support vector machine (SVM) classifier, they identify potential xenoAMPs by scanning SARS-CoV-2 protein sequences with a moving window approach, revealing sequences that exhibit strong AMP-like properties despite low similarity to known AMPs. The analysis highlights three specific xenoAMP candidates from the ORF1ab polyprotein, spike protein, and membrane protein, all of which demonstrate high cationic charge and significant antimicrobial activity against various bacterial strains, including Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus (MRSA).
The results indicate that xenoAMPs can be generated during proteasomal degradation, particularly by proteases such as neutrophil elastase and matrix metalloproteinase-9, which are associated with acute lung injury and hyperinflammation. Comparative analysis with homologous sequences from the mild common cold coronavirus HCoV-OC43 reveals that SARS-CoV-2 possesses a greater abundance of high-scoring xenoAMPs, suggesting enhanced potential for immune modulation. The findings underscore the systematic differences in xenoAMP distribution and scoring between SARS-CoV-2 and HCoV-OC43, indicating that the former’s higher transmissibility and replication rates may lead to increased xenoAMP availability in infected hosts. Overall, the study provides insights into the potential role of xenoAMPs in SARS-CoV-2 pathogenesis and their implications for host immune responses.
Discussion
In this discussion, the authors present a novel mechanism by which SARS-CoV-2 may propagate inflammation through the release of viral peptide fragments that mimic antimicrobial peptides (AMPs) like LL-37. These xenoAMPs exhibit a higher cationic charge, facilitating their interaction with anionic nucleic acids, which may lead to the formation of proinflammatory complexes. The study highlights that such complexes can activate immune responses in uninfected cells, potentially explaining the hyperinflammatory state observed in COVID-19 patients, which resembles autoimmune disorders. The authors also note that the presence of diverse proteases in the host may contribute to the generation of these xenoAMPs, further complicating the immune response.
Mass spectrometry analysis of tracheal aspirate samples from severe COVID-19 patients revealed the presence of LL-37 fragments and SARS-CoV-2 peptide fragments, with the latter showing significant immune activation potential. The study found that xenoAMP-poly(I:C) complexes induced higher levels of proinflammatory cytokines, such as IL-6 and IL-8, compared to homologous peptides from non-pandemic coronaviruses. This suggests that the unique sequences of SARS-CoV-2 xenoAMPs are intrinsically proinflammatory and can lead to severe immune dysregulation. The findings underscore the importance of understanding the role of xenoAMPs in COVID-19 pathology and their potential as targets for therapeutic intervention to mitigate inflammation and associated complications.