Создание трансгенных мышей, восприимчивых к коронавирусам: платформа изучения вирусного патогенеза и тестирования вакцин

За последние 20 лет коронавирусы вызвали три эпидемии, SARS-CoV, MERS-CoV и SARS-CoV2, причем летальность первых двух была очень высокой: около 10 и 26 % соответственно. Последняя вспышка коронавирусной инфекции, вызванная SARS-CoV2 в 2019 г. в Китае, охватила всю планету, и она все еще продолжает распространяться. Источником этих вирусов у человека были животные: летучие мыши, гималайские циветы и верблюды. Геномы MERS-CoV, SARS-CoV и SARS-CoV2 имеют высокое сходство между собой. Установлено, что заражение коронавирусной инфекцией (SARS-CoV и SARS-CoV2) происходит посредством контакта вирусного белка S с рецептором легочного эпителия – ангиотензин-конвертирующим ферментом 2 (АСЕ2), благодаря чему вирус попадает в клетки. Наиболее привлекательной моделью для исследования особенностей развития этих заболеваний является лабораторная мышь, которая, однако, резистентна к коронавирусной инфекции. Резистентность объясняется различием аминокислотного состава белков Асе2 мыши и АСЕ2 человека. Поэтому при получении мышей, восприимчивых к коронавирусам SARS-CoV и SARS-CoV2, в их геном переносят ген АСЕ2 человека. Экзогенная ДНК конструкций встраивается в реципиентный геном случайным образом и с варьирующим числом копий. На основе этой технологии были получены линии трансгенных мышей, восприимчивых к интраназальной коронавирусной инфекции. Применение технологии адресной модификации геномов с помощью CRISPR/Cas9 позволило получить линии трансгенных животных с инсерцией гена АСЕ2 человека под контроль промотора эндогенного гена Асе2 мыши. Такая «гуманизация» гена Ace2 дает возможность получить животных, наиболее близко имитирующих коронавирусную инфекцию человека. Таким образом, к настоящему времени создана серия линий трансгенных мышей – животных, моделирующих коронавирусные инфекции человека и потенциально способных служить платформами для тестирования вакцин.

1. Bader M. ACE2, angiotensin-(1-7), and Mas: the other side of the coin. Pflugers Arch. 2013;465(1):79-85. DOI 10.1007/s00424-012-1120-0.

2. Bao L., Deng W., Huang B., Gao H., Liu J., Ren L., Wei Q., Yu P., Xu Y., Qi F., Qu Y., Li F., Lv Q., Wang W., Xue J., Gong S., Liu M., Wang G., Wang S., Song Z., Zhao L., Liu P., Zhao L., Ye F., Wang H., Zhou W., Zhu N., Zhen W., Yu H., Zhang X., Guo L., Chen L., Wang C., Wang Y., Wang X., Xiao Y., Sun Q., Liu H., Zhu F., Ma C., Yan L., Yang M., Han J., Xu W., Tan W., Peng X., Jin Q., Wu G., Qin C. The pathogenicity of SARS-CoV-2 in hACE2 transgenic mice. Nature. 2020;583(7818):830-833. DOI 10.1038/s41586-020-2312-y.

3. Belouzard S., Chu V.C., Whittaker G.R. Activation of the SARS coronavirus spike protein via sequential proteolytic cleavage at two distinct sites. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009;106(14):5871-5876. DOI 10.1073/pnas.0809524106.

4. Bruter A.V., Korshunova D.S., Kubekina M.V., Sergiev P.S., Kalinina A.A., Ilchuk K.A., Yuliya Yu., Silaeva Y.Y., Korshunov E.K., Soldatov V.O., Deykin A.V. Novel transgenic mice with Cre-dependent co-expression of GFP and human ACE2: a safe tool for study of COVID-19 pathogenesis. Transgenic Res. 2021;30(3):289-301. DOI 10.1007/s11248-021-00249-8.

5. Dolskiy A.A., Gudymo A.S., Taranov O.S., Grishchenko I.V., Shitik E.M., Prokopov D.Y., Soldatov V.O., Sobolevskaya E.V., Bodnev S.A., Danilchenko N.V., Moiseeva A.A., Torzhkova P.Y., Bulanovich Y.A., Onhonova G.S., Ivleva E.K., Kubekina M.V., Belykh A.E., Tregubchak T.V., Ryzhikov A.B., Gavrilova E.V., Maksyutov R.A., Deykin A.V., Yudkin D.V. The tissue distribution of SARS-CoV-2 in transgenic mice with inducible ubiquitous expression of hACE2. Front. Mol. Biosci. 2022;8:821506. DOI 10.3389/fmolb.2021.821506.

6. Ge X.-Y., Li J.-L., Yang X.-L., Chmura A.A., Zhu G., Epstein J.H., Mazet J.K., Hu B., Zhang W.L., Peng C., Zhang Y.-J., Luo C.-M., Tan B., Wang N., Zhu Y., Crameri G., Zhang S.-Y., Wang L.-F., Daszak P., Shi Z-L. Isolation and characterization of a bat SARS-like coronavirus that uses the ACE2 receptor. Nature. 2013;503(7477): 535-538. DOI 10.1038/nature12711.

7. Glass W.G., Subbarao K., Murphy B., Murphy P.M. Mechanisms of host defense following severe acute respiratory syndrome­coronavirus (SARS-CoV) pulmonary infection of mice. J. Immunol. 2004; 173(6):4030-4039. DOI 10.4049/jimmunol.173.6.4030.

8. Guan Y., Zheng B.J., He Y.Q., Liu X.L., Zhuang Z.X., Cheung C.L., Luo S.W., Li P.H., Zhang L.J., Guan Y.J., Butt K.M., Wong K.L., Chan K.W., Lim W., Shortridge K.F., Yuen K.Y., Peiris J.S., Poon L.L. Isolation and characterization of viruses related to the SARS coronavirus from animals in southern China. Science. 2003; 302(5643):276-278. DOI 10.1126/science.1087139.

9. Imai Y., Kuba K., Rao S., Huan Y., Guo F., Guan B., Yang P., Sarao R., Wada T., Leong-Poi H., Crackower M.A., Fukamizu A., Hui C.-C., Hein L., Uhlig S., Slutsky A.S., Jiang C., Penninger J.M. Angiotensin-converting enzyme 2 protects from severe acute lung failure. Nature. 2005;436(7047):112-116. DOI 10.1038/nature03712.

10. Jiang R.-D., Liu M.-Q., Chen Y., Shan C., Zhou Y.-W., Shen X.-R., Li Q., Zhang L., Zhu Y., Si H.-R., Wang Q., Min J., Wang X., Zhang W., Li B., Zhang H.-J., Baric R.S., Zhou P., Yang X.-L., Shi Z.-L. Pathogenesis of SARS-CoV-2 in transgenic mice expressing human angiotensin-converting enzyme 2. Cell. 2020;182(1): 50-58.e8. DOI 10.1016/j.cell.2020.05.027.

11. Kuba K., Imai Y., Ohto-Nakanishi T., Penninger J.M. Trilogy of ACE2: a peptidase in the renin-angiotensin system, a SARS receptor, and a partner for amino acid transporters. Pharmacol. Ther. 2010;128(1): 119-128. DOI 10.1016/j.pharmthera.2010.06.003.

12. Lai M.M.C., Perlman S., Anderson J. Coronaviridae. In: Knipe D.M., Howley P.M. (Eds.). Fields Virology. Philadelphia: Lippincott Williams and Wilkins, 2007;1305-1335.

13. Lan J., Ge J., Yu J., Shan S., Zhou H., Fan S., Zhang Q., Shi X., Wang Q., Zhang L., Wang X. Structure of the SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain bound to the ACE2 receptor. Nature. 2020;581(7807):215-220. DOI 10.1038/s41586-020-2180-5.

14. Li F., Li W., Farzan M., Harrison S.C. Structure of SARS coronavirus spike receptor binding domain complexed with receptor. Science. 2005;309(5742):1864-1868. DOI 10.1126/science.1116480.

15. Li Q., Guan X., Wu P., Wang X., Zhou L., Tong Y., Ren R., Leung K.S.M., Lau E.H.Y., Wong J.Y., Xing X., Xiang N., Wu Y., Li C., Chen Q., Li D., Liu T., Zhao J., Liu M., Tu W., Chen C., Jin L., Yang R., Wang Q., Zhou S., Wang R., Liu H., Luo Y., Liu Y., Shao G., Li H., Tao Z., Yang Y., Deng Z., Liu B., Ma Z., Zhang Y., Shi G., Lam T.T.Y., Wu J.T., Gao G.F., Cowling B.J., Yang B., Leung G.M., Feng Z. Early transmission dynamics in Wuhan, China, of novel coronavirus­infected pneumonia. N. Engl. J. Med. 2020; 382(13):1199-1207. DOI 10.1056/NEJMoa2001316.

16. Li W., Moore M.J., Vasilieva N., Sui J., Wong S.K., Berne M.A., Somasundaran M., Sullivan J.L., Luzuriaga K., Greenough T.C., Choe H., Farzan M. Angiotensin-converting enzyme 2 is a functional receptor for the SARS coronavirus. Nature. 2003;426(6965):450-454. DOI 10.1038/nature02145.

17. Liu F.-L., Wu K., Sun J., Duan Z., Quan X., Kuang J., Chu S., Pang W., Gao H., Xu L., Li Y.-C., Zhang H.-L., Wang X.-H., Luo R.-H., Feng X.-L., Schöler H.R., Chen X., Pei D., Wu G., Zheng Y.-T., Chen J. Rapid generation of ACE2 humanized inbred mouse model for COVID-19 with tetraploid complementation. Natl. Sci. Rev. 2021;8(2):nwaa285. DOI 10.1093/nsr/nwaa285.

18. Martina B.E., Haagmans B.L., Kuiken T., Fouchier R.A., Rimmelzwaan G.F., Van Amerongen G., Peiris J.S.M., Lim W., Osterhaus A.D.M.E. Virology: SARS virus infection of cats and ferrets. Nature. 2003;425(6961):915. DOI 10.1038/425915a.

19. McCray P.B. Jr., Pewe L., Wohlford-Lenane C., Hickey M., Manzel L., Shi L., Netland J., Jia H.P., Halabi C., Sigmund C.D., Meyerholz D.K., Kirby P., Look D.C., Perlman S. Lethal infection of K18- hACE2 mice infected with severe acute respiratory syndrome coronavirus. J. Virol. 2007;81(2):813-821. DOI 10.1128/JVI.02012-06.

20. Menachery V.D., Yount B.L. Jr., Sims A.C., Debbink K., Agnihothram S.S., Gralinski L.E., Graham R.L., Scobey T., Plante J.A., Royal S.R., Swanstrom J., Sheahan T.P., Pickles R.J., Corti D., Randell S.H., Lanzavecchia A., Marasco W.A., Baric R.S. ARS-like WIV1-CoV poised for human emergence. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2016;113(11):3048-3053. DOI 10.1073/pnas.1517719113.

21. Netland J., Meyerholz D.K., Moore S., Cassell M., Perlman S. Severe acute respiratory syndrome coronavirus infection causes neuronal death in the absence of encephalitis in mice transgenic for human ACE2. J. Virol. 2008;82(15):7264-7275. DOI 10.1128/JVI.00737-08.

22. Ostrowski L.E., Hutchins J.R., Zakel K., O’Neal W.K. Targeting expression of a transgene to the airway surface epithelium using a ciliated cell-specific promoter. Mol. Ther. 2003;8(4):637-645. DOI 10.1016/S1525-0016(03)00221-1.

23. Peiris J.S., Lai S.T., Poon L.L., Guan Y., Yam L.Y.C., Lim W., Nicholls J., Yee W.K.S., Yan W.W., Cheung M.T., Cheng V.C.C., Chan K.H., Tsang D.N.C., Yung R.W.H., Ng T.K., Yuen K.Y., SARS study group. Coronavirus as a possible cause of severe acute respiratory syndrome. Lancet. 2003;361(9366):1319-1325. DOI 10.1016/s0140-6736(03)13077-2.

24. Reusken C.B., Haagmans B.L., Müller M.A., Gutierrez C., Godeke G.J., Meyer B., Muth D., Raj V.S., Smits-De Vries L., Corman V.M., Drexler J.-F., Smits S.L., El Tahir Y.E., De Sousa R., van Beek J., Nowotny N., van Maanen K., Hidalgo-Hermoso E., Bosch B.-J., Rottier P., Osterhaus A., Gortázar-Schmidt C., Drosten C., Koopmans M.P. Middle East respiratory syndrome coronavirus neutralising serum antibodies in dromedary camels: a comparative serological study. Lancet. Infect. Dis. 2013;13(10):859-866. DOI 10.1016/S1473-3099(13)70164-6.

25. Roberts A., Vogel L., Guarner J., Hayes N., Murphy B., Zaki S., Subbarao K. Severe acute respiratory syndrome coronavirus infection of golden Syrian hamsters. J. Virol. 2005;79(1):503-511. DOI 10.1128/JVI.79.1.503-511.2005.

26. Smirnov A., Fishman V., Yunusova A., Korablev A., Serova I., Skryabin B.V., Rozhdestvensky T.S., Battulin N. DNA barcoding reveals that injected transgenes are predominantly processed by homologous recombination in mouse zygote. Nucleic Acids Res. 2020;48(2): 719-735. DOI 10.1093/nar/gkz1085.

27. Subbarao K., Roberts A. Is there an ideal animal model for SARS? Trends Microbiol. 2006;14(7):299-303. DOI 10.1016/j.tim.2006.05.007.

28. Sun S.-H., Chen Q., Gu H.-J., Yang G., Wang Y.-X., Huang X.-Y., Liu S.-S., Zhang N.-N., Li X.-F., Xiong R., Guo Y., Deng Y.-Q., Huang W.-J., Liu Q., Liu Q.-M., Shen Y.-L., Zhou Y., Yang X., Zhao T.-Y., Fan C.-F., Zhou Y.-S., Qin C.-F., Wang Y.-C. A mouse model of SARS-CoV-2 infection and pathogenesis. Cell Host Microbe. 2020;28(1):124-133.е4. DOI 10.1016/j.chom.2020.05.020.

29. Takaki H., Oshiumi H., Shingai M., Matsumoto M., Seya T. Development of mouse models for analysis of human virus infections. Microbiol. Immunol. 2017;61(3-4):107-113. DOI 10.1111/1348-0421.12477.

30. Tseng C.T., Huang C., Newman P., Wang N., Narayanan K., Watts D.M., Makino S., Packard M.M., Zaki S.R., Chan T.-S., Peters C.J. Severe acute respiratory syndrome coronavirus infection of mice transgenic for the human angiotensin-converting enzyme 2 virus receptor. J. Virol. 2007;81(3):1162-1173. DOI 10.1128/JVI.01702-06.

31. van Boheemen S., de Graaf M., Lauber C., Bestebroer T.M., Raj V.S., Zaki A.M., Osterhaus A.D., Haagmans B.L., Gorbalenya A.E., Snijder E.J., Fouchier R.A. Genomic characterization of a newly discovered coronavirus associated with acute respiratory distress syndrome in humans. mBio. 2012;3(6):e00473-12. DOI 10.1128/mBio.00473-12.

32. Wan Y., Shang J., Graham R., Baric R.S., Li F. Receptor recognition by the novel coronavirus from Wuhan: an analysis based on decadelong structural studies of SARS coronavirus. J. Virol. 2020;94(7): e00127-20. DOI 10.1128/jvi.00127-20.

33. Wang Q., Zhang Y., Wu L., Niu S., Song C., Zhang Z., Lu G., Qiao C., Hu Y., Yuen K.-Y., Wang Q., Zhou H., Yan J., Qi J. Structural and functional basis of SARS-CoV-2 entry by using human ACE2. Cell. 2020;181(4):894-904. DOI 10.1016/j.cell.2020.03.045.

34. Woo P.C.Y., Lau S.K.P., Huang Y., Yuen K.-Y. Coronavirus diversity, phylogeny and interspecies jumping. Exp. Biol. Med. (Maywood). 2009a;234(10):1117-1127. DOI 10.3181/0903-MR-94.

35. Woo P.C., Lau S.K., Lam C.S., Lai K.K., Huang Y., Lee P., Luk G.S., Dyrting K.C., Chan K.H., Yuen K.Y. Comparative analysis of complete genome sequences of three avian coronaviruses reveals a novel group 3c coronavirus. J. Virol. 2009b;83(2):908-917. DOI 10.1128/JVI.01977-08.

36. Yang X.H., Deng W., Tong Z., Liu Y.X., Zhang L.F., Zhu H., Gao H., Huang L., Liu Y.L., Ma C.M., Xu Y.F., Ding M.X., Deng H.K., Qin C. Mice transgenic for human angiotensin-converting enzyme 2 provide a model for SARS coronavirus infection. Comp. Med. 2007; 57(5):450-459. PMID: 17974127.

37. Yinda C.K., Port J.R., Bushmaker T., Owusu I.O., Avanzato V.A., Fischer R.J., Schulz J.E., Holbrook M.G., Hebner M.J., Rosenke R., Thomas T., Marzi A., Best S.M., de Wit E., Shaia C., van Doremalen N., Munster V.J. K18-hACE2 mice develop respiratory disease resembling severe COVID-19. bioRxiv. 2020;Aug 11; 2020.08.11.246314. DOI 10.1101/2020.08.11.246314.

38. Zaki A.M., van Boheemen S., Bestebroer T.M., Osterhaus A.D.M.E., Fouchier R.A.M. Isolation of a novel coronavirus from a man with pneumonia in Saudi Arabia. N. Engl. J. Med. 2012;367(19):1814- 1820. DOI 10.1056/NEJMoa1211721.

39. Zhou F., Yu T., Du R., Fan G., Liu Y., Liu Z., Xiang J., Wang Y., Song B., Gu X., Guan L., Wei Y., Li H., Wu X., Xu J., Tu S., Zhang Y., Chen H., Cao B. Clinical course and risk factors for mortality of adult inpatients with COVID-19 in Wuhan, China: a retrospective cohort study. Lancet. 2020;395(10229):1054-1062. DOI 10.1016/S0140-6736(20)30566-3.

40. Zhou P., Yang X.-L., Wang X.-G., Hu B., Zhang L., Zhang W., Si H.-R., Zhu Y., Li B., Huang C.-L., Chen H.-D., Chen J., Luo Y., Guo H., Jiang R.-D., Liu M.-Q., Chen Y., Shen X.-R., Wang X., Zheng X.-S., Zhao K., Chen Q.-J., Deng F., Liu L.-L., Yan B., Zhan F.-X., Wang Y.-Y., Xiao G.-F., Shi Z.-L. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. 2020;579(7798):270-273. DOI 10.1038/s41586-020-2012-7.

41. Zhu N., Zhang D., Wang W., Li X., Yang B., Song J., Zhao X., Huang B., Shi W., Lu R., Niu P., Zhan F., Ma X., Wang D., Xu W., Wu G., Gao G.F., Tan W. A novel сoronavirus from patients with pneumonia in China, 2019. N. Engl. J. Med. 2020;382(8):727-733. DOI 10.1056/NEJMoa2001017.