A Severe COVID-19-associated hNTPDase2 Variant is Enzymatically Inactive

In de microscopische wereld van ons lichaam communiceren cellen voortdurend met behulp van chemische signalen, waarvan sommige zijn opgebouwd uit moleculen die nucleotiden worden genoemd. Onder deze moleculen fungeert een molecuul dat bekend staat als ATP als een krachtig signaal dat ontstekingen kan triggeren, wat in feite een alarm luidt om het immuunsysteem naar een plek van letsel of infectie te roepen. Onder normale omstandigheden heeft het lichaam een geavanceerde schoonmaakploeg van enzymen die deze signalen afbreken zodra ze hun werk hebben gedaan, om te voorkomen dat het alarm te hard of te lang gaat rinkelen. Een van deze enzymen, genaamd hNTPDase2, bevindt zich op het oppervlak van bepaalde cellen en werkt als een gespecialiseerde schaar die ATP en vergelijkbare moleculen doorknipt om hun niveaus in toom te houden. Wanneer dit systeem correct werkt, wordt ontsteking gecontroleerd en beperkt. Echter, wanneer de niveaus van deze signalerende moleculen te hoog worden, zoals te zien is bij ernstige gevallen van luchtwegaandoeningen, kan de resulterende overactieve immuunrespons het weefsel dat het probeert te beschermen, beschadigen.

Onderzoekers weten al lang dat patiënten die lijden aan ernstige vormen van COVID-19 vaak gevaarlijk hoge niveaus van deze extracellulaire signalerende moleculen vertonen. Een recente studie, gepubliceerd door een team van de Université Laval in Canada, onderzoekt een specifieke genetische variatie die bij sommige van deze patiënten wordt gevonden en die zou kunnen verklaren waarom hun lichaam er niet in slaagde dit proces te reguleren. De wetenschappers richtten zich op een minuscule fout in de genetische code voor het hNTPDase2-enzym, een mutatie die in medische databases als potentieel schadelijk was gemarkeerd. Door deze specifieke genetische variant in het laboratorium na te bootsen, ontdekte het team dat de mutatie het vermogen van het enzym om te functioneren volledig vernietigt. Hun bevindingen suggereren dat individuen die met deze genetische fout leven, de moleculaire scharen missen die nodig zijn om overtollig ATP op te ruimen, wat hen potentieel blootstelt aan een ongecontroleerde ontstekingsreactie in de luchtwegen die de ernst van de ziekte verhevigt.

De studie begon met een nauwgezette examinatie van een specifieke genetische sequentie die wordt gevonden bij patiënten met ernstige COVID-19. De onderzoekers identificeerden een enkele ontbrekende letter in de DNA-instructies voor het hNTPDase2-enzym. In de taal van de genetica veroorzaakt deze kleine deletie een verschuiving in hoe de gehele resterende sequentie wordt gelezen, vergelijkbaar met het verwijderen van een enkele letter uit een zin en daarmee de betekenis van elk volgend woord veranderen. Deze verschuiving leidt tot de creatie van een voortijdig stopsignaal, waardoor het lichaam een eiwit bouwt dat aanzienlijk korter is dan de volledige versie. In plaats van de gebruikelijke 495 bouwstenen, of aminozuren, stopt het gemuteerde eiwit bij 408. Deze inkorting is cruciaal omdat het het uiteinde van het eiwit wegknipt, waarbij een sectie die bekend staat als de C-terminale transmembraandomein en verschillende andere delen die essentieel zijn voor de taak van het enzym, worden verwijderd.

Om precies te begrijpen wat deze genetische fout betekende voor de functie van het enzym, hebben de wetenschappers de mutatie in een laboratoriumsetting nagebootst. Ze gebruikten een techniek genaamd site-directed mutagenesis om exact dezelfde enkele letter-deletie in een DNA-sequentie te introduceren die ze hadden gekloneerd, waardoor ze een versie van het enzym creëerden die ze hN2COV noemden. Vervolgens voegden ze deze genetische code in levende cellen in, specifiek een type hamstercellijn die vaak wordt gebruikt voor eiwitproductie, om te zien of de cellen dit defecte enzym zouden bouwen. Om het eiwit te kunnen volgen, voegden ze een kleine moleculaire tag toe aan zowel de normale als de gemuteerde versies. Het team bevestigde dat de cellen inderdaad de mRNA-instructies voor het gemuteerde eiwit produceerden, wat bewees dat de genetische code werd gelezen. Echter, toen ze zochten naar het daadwerkelijke eiwit met behulp van antilichamen die ontworpen zijn om het normale enzym te herkennen, konden ze het niet vinden. Dit suggereerde dat het gemuteerde eiwit ofwel instabiel was, of structureel zo verschillend was dat de standaard detectietools het niet konden herkennen.

De onderzoekers richtten zich vervolgens op een directere methode om te zien of het gemuteerde enzym nog steeds zijn werk kon doen. Ze maten het vermogen van het enzym om ATP, ADP, UTP en UDP af te breken, de vier belangrijkste moleculen die het moet verwerken. Met behulp van een standaard chemische test die de vrijzetting van fosfaat detecteert wanneer deze moleculen worden afgebroken, vergeleken ze de prestaties van het normale enzym met die van de gemuteerde versie. De resultaten waren onvergetelijk en definitief. Het normale enzym brak efficiënt ATP en UTP af, precies zoals verwacht. In tegenstelling hiertoe vertoonde de gemuteerde hN2COV geen enkele detecteerbare activiteit. Het was volledig onbekwaam om een van de vier substraten af te breken. Dit bevestigde dat de mutatie niet slechts een kleine storing was, maar een totaal verlies van functie, waardoor het enzym nutteloos werd.

De reden voor dit totale falen ligt in de specifieke delen van het eiwit die verloren zijn gegaan. De ontbrekende staart van het enzym bevatte een cruciaal aminozuur genaamd Cystine 399, dat bekend staat om het vormen van een chemische brug met een ander deel van het eiwit om de vorm bij elkaar te houden. Zonder deze brug kan het enzym niet correct vouwen. De ontbrekende sectie bevatte ook een site waar suikermoleculen normaal gesproken worden aangehecht, een proces dat essentieel is voor de volledige activiteit van het enzym, en andere residuen die het enzym helpen om zich aan zijn doelmoleculen te hechten. Het team merkte op dat de mutatie de ontbrekende natuurlijke staart verving door een korte, willekeurige reeks van 18 nieuwe aminozuren die niet tot een bekende eiwitfamilie behoren, wat geen enkele kans bood dat het enzym een nieuwe functie zou verkrijgen om het verlies te compenseren.

De implicaties van deze bevinding reiken verder dan de laboratoriumtafel. Hoewel het enzym niet wordt aangetroffen in de bloedcellen die door het hele lichaam circuleren, is het wel aanwezig in de bekleding van de luchtwegen, inclus kind de neus en de bronchiën. Dit is exact de locatie waar het virus dat COVID-19 veroorzaakt, het lichaam binnendringt en aanvalt. Bij andere luchtweginfecties, zoals de griep, zijn hoge niveaus van ATP in de luchtwegen gelinkt aan ernstige zwelling en vochtophoping. De onderzoekers stellen voor dat bij patiënten met deze specifieke genetische mutatie het gebrek aan functioneel hNTPDase2 in de luchtwegen betekent dat het overtollige ATP dat tijdens de virale infectie wordt gegenereerd, niet kan worden opgeruimd. Deze accumulatie zorgt er waarschijnlijk voor dat het immuunalarm te hard blijft rinkelen, wat leidt tot een agressievere en meer beschadigende ontstekingsreactie die bijdraagt aan de ernst van de ziekte.

De studie beweert niet dat deze mutatie de enige oorzaak is van ernstige COVID-19, noch suggereert het dat elke patiënt met ernstige symptomen deze specifieke genetische fout draagt. In plaats daarvan biedt het werk een duidelijke mechanistische verklaring voor waarom de ziekte ernstiger kan zijn bij een subset van individuen. Door aan te tonen dat deze specifieke variant enzymatisch inactief is, hebben de onderzoekers een potentiële biologische kwetsbaarheid geïdentificeerd. De bevindingen suggereren dat de verstoring van de nucleotide-signalering in de luchtwegen een lokale factor kan zijn die de ziekte verergert, wat wijst op een specifiek gebied waar de natuurlijke afweermechanismen van het lichaam hebben gefaald. Dit inzicht biedt een duidelijker beeld van het biologische landschap in ernstige gevallen en benadrukt het belang van genetische variaties in hoe individuen reageren op respiratoire infecties.