Variantes genômicas de SARS-CoV-2 e sua relação com o perfil expressional e genômico da enzima conversora de angiotensina 2 (ACE2) e da protease da proteína transmembrana 2 (TMPRSS2)

Abstract

A infecção por SARS-CoV-2 se tornou presente no nosso cotidiano a partir de 2020, se disseminando e causando a doença denominada COVID-19. É transmitida principalmente por vias aéreas, e sua patogenia é variada podendo ser assintomática ou levando a sintomas respiratórios, neurológicos e digestórios. Para dar início ao ciclo viral em humanos, SARS-CoV-2 se liga à Enzima Conversora de Angiotensina 2 (ACE2) e a proteína viral Spike deve ser clivada pela Serina Protease da Proteína Transmembrana 2 (TMPRSS2), fazendo com que ACE2 e TMPRSS2 tenham um papel crucial para o desenvolvimento da infecção. Dada essa importância, ambas as proteínas ficaram sob o holofote da ciência durante a pandemia, buscando elucidar a relação dos seus perfis expressionais e genéticos com o desenvolvimento de COVID-19 sintomática. No entanto SARS-CoV-2 apresentou uma vasta gama de variantes genômicas que cursaram com quadros clínicos e taxas de transmissibilidade diferentes, devido a mutações no genoma viral. Apesar de se conhecer a interação da Spike com ACE2 e TMPRSS2, não se tem informação do comportamento desses receptores frente às diferentes variantes genômicas de SARSCoV-2. Neste sentido, o presente trabalho busca elucidar o comportamento dos perfis expressionais e genômicos de ACE2 e TMPRSS2 em células da nasofaríngeas frente às diferentes variantes genômicas de SARS-CoV-2. Para tal, 160 amostras de nasofaringe detectadas para SARS-CoV-2 foram selecionadas, seus RNA total e viral foram extraídos, visando avaliar a expressão gênica de ACE2 e TMPRSS2 via RT-qPCR e identificar as variantes genômicas de SARS-CoV-2, por meio de sequenciamento por Nanoporos, assim como Polimorfismos de Nucleotídeo Único (SNPs) nos genes codificantes para as proteínas receptoras. As variantes identificadas no presente trabalho foram B.1.1.28, Zeta, Gamma e Ômicron. Os níveis de expressão de ACE2 foram mais elevados quando na presença de B.1.1.28 do que quando Ômicron estava presente. Sabendo que a infecção por SARS-CoV-2 induz a expressão de ACE2 via sinalização por interferons, e que a afinidade da Spike com seu receptor na variante Ômicron é três vezes maior que a cepa original, foi possível observar que a maior afinidade de ligação Spike/ACE2 pode ter influenciado na redução nos níveis de ACE2. Os níveis de TMPRSS2 foram mais elevados em B.1.1.28, comparando com Ômicron e Gamma. A expressão de TMPRSS2 é regulada pelo Fator de Transcrição do Regulador Mestre GATA2, que também regula a expressão de citocinas como a IL1ß, e durante a infecção por SARS-CoV-2 a expressão de IL1ß é estimulada, induzindo também a de TMPRSS2. Considerando que em infecções pela variante Ômicron os níveis de IL1ß são reduzidos, e que Ômicron é ineficiente no uso da via da protease, reforça-se que em infecções por Ômicron a via da TMPRSS2 não é utilizada, e sugere-se que exista uma redução nos fatores de transcrição da protease. Dos quatro SNPs avaliados somente um demonstrou uma frequência elevada nas variantes Zeta, Gamma e Ômicron quando comparados com B.1.1.28, sendo ele rs2285666. Esse SNP é presente no gene codificante para ACE2 e aumenta a sua afinidade de ligação com a Spike, concordando com a hipótese sugerida anteriormente. Ainda, foi visto que profissionais da saúde expressam mais ACE2 e TMPRSS2 durante a infecção, e mesmo que não tenham dados demonstrando o contexto biológico dessa diferença, profissionais da saúde foram expostos continuamente ao SARS-CoV-2 nesses últimos anos, o que aumentada as chances de contato com o vírus antes da evolução da COVID ou da positividade em testes moleculares, sugerindo que o contato preliminar ao SARS-CoV-2 pode levar a um aumento nos níveis de ACE2 e TMPRSS2 potencialmente explicando os resultados apresentados. Porém, dados de aderência ao uso de máscaras, aderência as diretrizes epidemiológicas e vacinais não foram obtidos e pode influenciar na maior expressão dos profissionais de saúde.

Abstract: SARS-CoV-2 infection has become a global concern since 2020, spreading and causing a disease known as COVID-19. This disease is primarily transmitted through the upper airways, and its pathogenesis varies, ranging from asymptomatic cases to respiratory, neurological, and digestive symptoms. The initiation of the viral cycle within humans involves the binding of SARS-CoV-2 to Angiotensin-Converting Enzyme 2 (ACE2), and its Spike viral protein must be cleaved by the Serine Protease of Transmembrane Protein 2 (TMPRSS2). ACE2 and TMPRSS2 play a crucial role in the development of the infection. Consequently, these proteins have been under the spotlight of scientific research to understand their expression and genetic profiles for symptomatic COVID-19. However, SARS-CoV-2 has exhibited a wide range of genomic variants leading to different clinical presentations and transmissibility rates due to mutations in the viral genome. Considering the interaction of Spike with ACE2 and TMPRSS2, information is lacking on the behaviour of these receptors in response to the genomic variants of the novel coronavirus. This study aims to elucidate the nasopharyngeal expression and genomic profiles of ACE2 and TMPRSS2 in response to different genomic variants of SARS-CoV-2. To achieve this, 160 SARS-CoV-2 positive nasopharyngeal samples were selected. Total and viral RNA were extracted, and ACE2 and TMPRSS2 gene expression was assessed using RT-qPCR. Additionally, SARS-CoV-2 genomic variants were identified through nanopore sequencing, along with Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) in ACE2 and TMPRSS2 encoding genes. In order of appearance, B.1.1.28, Zeta, Gamma, and Omicron variant were identified in this study. ACE2 expression levels were higher when B.1.1.28 was present compared to Omicron. Considering that SARS-CoV-2 infection induces ACE2 expression via interferon signalling and a that Omicron spike has a three times higher binding affinity to its receptor when compared to the Wuhan virus, a high Spike/ACE2 binding affinity is a potential factor in reducing ACE2 expression levels. TMPRSS2 levels were higher in B.1.1.28 compared to Omicron and Gamma. TMPRSS2 expression is regulated by the transcription factor GATA2, which also regulates cytokine expression such as IL1ß, so during a SARS-CoV-2 infection IL1ß expression is stimulated, with TMPRSS2 expression alongside it. In Omicron infections, IL1ß levels are reduced, and the inefficiency of Omicron in using the protease pathway suggests a reduction in TMPRSS2 transcription factor activity. Among the four evaluated SNPs, only one showed an increased frequency in Zeta, Gamma, and Omicron variants compared to B.1.1.28, being the rs2285666 SNP. This SNP is present in ACE2 gene increasing its binding affinity with Spike, reinforcing the above-mentioned hypothesis. Health professionals expressed higher levels of ACE2 and TMPRSS2 during infection, and besides not having data exploring the biological context behind this different expression patterns, health workers were submitted to a higher exposure to SARS-CoV-2 thereby possibly increasing the chances of a previous contact with the virus. Taking into consideration the results involving the expression profiles of ACE2 and TMPRSS2 a previous contact with SARS-CoV-2 apparently increases the expression levels of both proteins, potentially explain these results. However, data on mask usage, adherence to epidemiological guidelines, and vaccination were not obtained, which could influence the higher expression of these proteins in healthcare professionals.