Mai come in questi giorni drammaticamente segnati dalla pandemia le parole immunità, anticorpi neutralizzanti, varianti virali e vaccinazione sono così presenti nei media, nei social, nella popolazione. Fra queste voglio in questo articolo soffermarmi sulle varianti del virus SARS-CoV-2, l’agente causale della malattia che ha colpito tutto il mondo, causando appunto la pandemia : cosa sono esattamente queste varianti, cosa modificano nel virus e qual è il loro impatto sulla trasmissione dell’infezione nella popolazione.
Cosa vuol dire varianti del virus
Le varianti del nuovo coronavirus non sono altro che linee di discendenza del virus (lineages, lignaggi) caratterizzati da una o più mutazioni (sostituzione di nucleotidi o perdita (delezione) di costituenti (nucleotidi) del genoma (RNA) virale che conferiscono a queste linee di discendenza specifiche e diverse proprietà. E’ come una popolazione con gruppi etnici diversi, discendenti tutti da un unico gruppo originale più antico e diversificatisi nel tempo attraverso modifiche del loro patrimonio genetico e selezione verso specifici adattamenti ambientali.
Il caso del virus
Negli animali e nell’uomo questi processi sono lunghissimi, migliaia e decine di migliaia di anni perché il nostro complesso genoma ha imponenti meccanismi per conservare l’identità del suo patrimonio genetico e le variazioni genetiche, pur esistenti, vengono selezionate e trasmesse assai lentamente, perché lentamente (decine di anni) ci riproduciamo Nel caso del nostro coronavirus, invece, con un piccolo genoma di solo 30 mila nucleotidi codificanti per meno di una ventina di proteine, le varianti sono apparse poche settimane dall’emergenza del virus cinese che il gruppo di ricerca del Prof. Ciccozzi del Campus Biomedico di Roma ha datato attorno alla metà di Novembre 2019.
La riproduzione del Coronavirus
Questo perché il coronavirus si riproduce molto velocemente (poche ore) e non ha potenti sistemi di correzione delle mutazioni che normalmente avvengono durante la replicazione del suo genoma , liberamente si manifestano e sono selezionate positivamente quando gli conferiscono un vantaggio rispetto ad una specifica situazione.
Varianti del virus: un esempio
L’esempio è quello della prima mutazione della proteina Spike (S) del virus, quella che legandosi al recettore ACE2 consente al virus di entrare nelle nostre cellule : si tratta della D614G, un cambio nucleotidico del gene dello spike che ha modificato la proteina S inserendo l’amino acido glicina al posto dell’acido aspartico nella posizione 614 della proteina S.
La scoperta italiana
Questa mutazione, scoperta e descritta per primi da ricercatori italiani, me compreso, e poi studiata con molti dettagli originali dal gruppo della dott.ssa Betty Korber in California , è apparsa precocemente nel nostro Paese, a fine marzo 2020, ed ha caratterizzato il primo lignaggio, la prima diversificazione/discendenza di SARS-CoV-2 dall’’iniziale isolato cinese di Wuhan. Ha conferito a questo lignaggio una nuova proprietà, quella di trasmettersi più velocemente rispetto al suo genitore cinese.
Ha preso infatti rapidamente il sopravvento e sin da maggio 2020 ha dominato la scena mondiale spodestando il lignaggio originale. E’ evidente che trasmettersi ed infettare più velocemente è un grande vantaggio per il virus, specialmente in una popolazione di suscettibili che cominciamo a prendere misure, tipo mascherine e distanziamento, per evitare il contagio.
Varianti del virus e vaccini: la prima, quella inglese
Ma poco prima che iniziasse la campagna vaccinale in UK, nel dicembre 2020, è avvenuto ( od è stato scoperto?) un altro e più importante evento mutazionale che ha ancor più elevato la capacità di trasmissione del virus, di un altro buon 50%, cioè una persona infetta ne infetta in media altre quattro. Questa è stata l’emergenza della ormai famosa variante inglese che si è infatti rapidamente affermata e distribuita in tutto il mondo (Al tempo in cui scrivo tale variante è presente e largamente prevalente in tutte le regioni Italiane).
Questa volta la mutazione è avvenuta nella proteina S dello spike virale, nella posizione amino-acidica 501, attraverso la sostituzione dell’aminoacido asparagina con l’aminoacido tirosina (mutazione N501Y). Questa posizione è in una regione del Receptor Binding Domain, RBD, che esattamente lega il recettore ACE2. Più precisamente, in quella “sporca dozzina” di aminoacidi che di fatto legano il nostro recettore.
Come emergono le varianti del virus
Quanto detto sopra illustra una delle ragioni, probabilmente la principale, per cui emergono e si affermano le varianti virali : si trasmettono più velocemente nella popolazione. La trasmissione è misurata da un fattore, chiamato dagli epidemiologi fattore basale di riproduzione R0,. Dice quante persone in media può infettare un soggetto infetto e contagioso. Il ceppo originale di Wuhan aveva un R0 di poco superiore a 2, quello dell’influenza ( un soggetto infetto ne contagia in media altri 2), con la mutazione D614G ha elevato il suo a 2.5-3 e con quella successiva N501Y attorno a 4.
La domanda adesso è : perché e come una piccolissima modifica genetica modifica una proprietà così essenziale per il virus come la sua trasmissibilità?
Si tratta di studi in cui vengono esaminate struttura molecolare e proprietà fisico-chimiche dell’interazione fra ogni singolo amino acido dell’’RBD ed i corrispondenti la proteina recettoriale ACE2. Ne risultano vari parametri fra i quali emergono stabilità ed affinità dell’interazione fra i due gruppi di aminoacidi. Più alti sono questi valori, più è forte e stabile l’interazione, con una importante conseguenza. Il virus adesso può infettare con un minor numero di particelle virali.
L’interazione molecolare
Per meglio capire tutto questo, prendiamo il solito, comune esempio di una specifica interazione molecolare. In questo caso fra RBD dello spike virale e la proteina ACE2 : immaginiamo RBD sia una chiave ed ACE2 la sua serratura. Possiamo immaginare la sequenza dei dodici aminoacidi come quella delle scanalature e intagli di una comune chiave. Non si tratta di chiavi e serrature rigide. Sia RBD che ACE2 sono molecole proteiche altamente plastiche, piccolissime e soggette a continue vibrazioni (moti browniani) nell’ambiente acquoso colloidale della cellula, che possono anche disfare un legame già avvenuto.
Tutto dipende dalla forza del legame che si instaura fra le due proteine, dettata dal riconoscimento delle due superfici di scanalature ed intagli. Questa è appunto l’affinità. Tanto più è alta tanto più forte sarà il legame fra le due superfici che combaciano. E tanto meno si distaccheranno per colpa delle suddette oscillazioni e vibrazioni. L’affinità conferisce alla chiave stabilità che si traduce in alta probabilità di legarsi fortemente alla serratura. Le mutazioni D614G e poi N501Y sono sufficienti a modificare progressivamente la configurazione delle scanalature ed intagli della chiave di quel tanto da aumentarne l’ affinità, quindi la stabilità. Le due superfici molecolari combaciano con maggiore forza e più difficilmente si distaccano.
Ora perché la maggiore affinità si traduce in una maggiore capacità infettante del virus?
L’incontro fra le particelle virali e il loro recettore nel nasofaringe avviene in un mezzo biologico pieno di ostacoli per il virus. Soprattutto costituiti da una specie di colla, il muco, che intrappola, e dalle ciglia sulle cellule mucosali che continuamente spazzano via i corpi estranei. Inoltre è necessario che un sufficiente numero di particelle virali entrino in un certo numero di cellule delle vie aeree affinché possa iniziarsi un’infezione.
Se attraverso un colpo di tosse od uno sternuto di una persona contagiosa vengo colpito da una miriade di goccioline piene di virus che il mio nasofaringe inala, l’infezione avverrà solo se molte particelle virali riusciranno a superare le difese. Arrivare sul recettore, attaccarvisi e così penetrare nelle cellule e superare le difese che ho anche dentro le cellule. Ora entra in gioca l’affinità. Se è bassa, poche particelle virali riusciranno ad attaccarsi stabilmente al recettore e magari non sarò infettato. Se è alta molte ci riusciranno e la serratura sarà aperta.
Un po’ di conti sulle Varianti del virus
Mettiamoci adesso in un ambiente con più soggetti, diciamo una decina che stanno amabilmente parlando di calcio fra loro, senza mascherine ed in un ambiente chiuso e poco areato. Se fra esse c’è una persona altamente infetta e contagiosa ( i cosiddetti superdiffusori del virus), che difende ad alta voce e accaloratamente la sua squadra del cuore, emetterà una bella nuvoletta di aerosol con 10 milioni di particelle virali che tutti più o meno inaleranno, mettiamo quelli piu vicini 1 milione e quelli più lontani 100 mila particelle.
Se la mutazione ha conferito al virus un RBD ad alta affinità è ben probabile che tutti si infettano. Anche quelli che ne hanno inalato solo, si fa per dire, 100 mila . Ma se l’affinità è bassa, solo quelli che hanno inalato 1 milione di particelle saranno probabilmente infettate. Quindi la mutazione, aumentando l’affinità del suo RBD con ACE2 rende il virus più contagioso. Perché anche persone che inalano relativamente poche particelle possono essere infettate mentre non lo sarebbero dal virus non mutato. R0 è aumentato.
La vita e lo scopo del virus
Il virus ha come unica ragione di vita quella di potersi riprodurre. Fra le tante e casuali mutazioni che si verificano di continuo durante il suo ciclo replicativo sarà sempre selezionata. Perché più vantaggiosa ai fini riproduttivi, quella che gli consente di infettare con il minor numero possibile di particelle virali. Dopo la loro emergenza, D614G e H501N sono state sempre mantenute in tutti i successivi lignaggi!
Cosa, infine, possiamo dire delle altre varianti virali che si sono succedute nel corso della pandemia, da quella sudafricana a quelle molto recenti, le indiane?
Sud-africana e brasiliana non sono ritenute più trasmissibili della variante inglese. Quanto alle indiane, le si sta studiando in questi giorni ma dati iniziali sembrerebbero suggerire cha almeno una di esse possa essere ancora un pochino più trasmissibile della inglese. Vedremo. Come vedremo in un prossimo articolo l’altro ed assai importante problema delle varianti. La capacità di resistere agli anticorpi neutralizzanti che abbiamo come risultato della guarigione dalla malattia e della vaccinazione.
