L’entrée du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2) dans les cellules hôtes est médiée par des interactions entre la protéine de pointe du virus et le récepteur de surface cellulaire de l’enzyme de conversion de l’angiotensine 2 (ACE2). La protéine de pointe est composée de deux sous-unités. L’un porte le domaine de liaison au récepteur (RBD) responsable de l’interaction avec l’ACE2, tandis que le second porte la machinerie de fusion membranaire vitale pour traverser la membrane cellulaire. Les deux sous-unités sont reliées par un site de clivage de la furine en forme de charnière qui permet à la protéine de pointe d’être dans une conformation « ouverte » ou « fermée », exposant ou protégeant le RBD, respectivement.
La protéine de pointe est également densément recouverte de glycanes qui protègent le virus des anticorps et jouent un rôle dans les interactions bénéfiques avec d’autres biomolécules, facilitant l’entrée dans les cellules et la propagation virale. La conformation actuelle de la protéine de pointe, à l’état ouvert ou fermé, influence également la conformation du revêtement de glycane, et des études informatiques antérieures ont montré que les glycanes sont impliqués dans la modulation et la stabilisation de ces transitions.
Dans un article récemment téléchargé sur le bioRxiv* serveur de préimpression, le rôle du revêtement de glycane sur la protéine de pointe SARS-CoV-2 est étudié plus en détail par des simulations de dynamique moléculaire de la protéine glycosylée et non glycosylée, identifiant plusieurs glycanes clés qui jouent un rôle dans la stabilisation et la protection du RBD, et encouragent également la liaison avec le récepteur ACE2.
Les glycanes confèrent de la stabilité
Les états ouvert et fermé de la protéine de pointe ont été modélisés sur la base de structures de cryomicroscopie électronique (cryo-EM) et de l’énergie libre de liaison calculée à l’aide d’une approche d’échantillonnage en parapluie d’échange de répliques, dans laquelle des copies du glycane attendu sont simulées de manière itérative dans différentes conformations à chaque site jusqu’à ce qu’un « meilleur ajustement » soit obtenu. Ce processus a été ensemencé par des données de spectrométrie de masse pour identifier chaque glycane et des simulations métadynamiques qui déterminent l’espace disponible pour les glycanes à la surface de la protéine dans l’un ou l’autre état.
Comme déterminé par la modélisation moléculaire, la structure de la protéine de pointe aux minima énergétiques dans la conformation ouverte ou fermée correspondait à celle observée dans les études cryo-EM, et la proportion de protéines de pointe dans l’une ou l’autre conformation était approximativement égale. Lorsque la protéine de pointe est glycosylée, la différence d’énergie entre les minima s’est avérée faible, l’état ouvert n’étant supérieur que de 0,4 kcal/mol, ce qui explique la proportion presque égale de conformères observée dans les simulations. La protéine de pointe non glycosylée, cependant, avait une énergie libre inférieure à l’état ouvert de 2,2 kcal/mol, provoquant un changement significatif dans la proportion de protéines de pointe dans l’un ou l’autre état, la population devenant dominée par la forme ouverte.
Les cinétiques d’ouverture et de fermeture de la protéine de pointe ont également été évaluées par le groupe en présence ou en l’absence de glycanes, les transitions fermé-ouvert et ouvert-fermé prenant respectivement 10,1 et 2,5 ms pour la forme glycosylée. En revanche, la protéine non glycosylée n’a pris que 5 et 305 µs pour les mêmes transitions, plus rapidement en raison de la barrière énergétique plus faible. Les taux de liaison et de déliaison avec le récepteur ACE2 ont également été évalués, constatant qu’à l’équilibre, 40 % de la forme glycosylée sont liés au récepteur ACE2, tandis que les 12 % et 48 % restants sont à l’état ouvert mais non liés, ou dans le état fermé, respectivement. Protéine de pointe non glycosylée liée au récepteur ACE2 à des taux encore plus élevés à l’équilibre en raison de la forte préférence pour la conformation ouverte, 77 % étant liés et les 23 % restants dans la conformation ouverte mais non liés.
Les glycanes encouragent la liaison avec l’ACE2
Le glycane N343 de la protéine de pointe a déjà été suggéré comme étant essentiel dans la liaison de la protéine de pointe avec le récepteur ACE2, les mutations de ce glycane étant préjudiciables à l’énergie de liaison. Le groupe le confirme par simulation et déclare que bien que la population globale de protéines de pointe à l’état ouvert soit plus importante après l’élimination de tous les glycanes, l’affinité de liaison vers le récepteur ACE2 est en réalité plus faible.
Le groupe note également qu’un plus grand nombre de liaisons hydrogène sont détectées sur la protéine de pointe glycosylée dans la conformation ouverte que fermée. Cependant, en l’absence de glycanes, un nombre encore plus important de liaisons hydrogène est présent. Cela peut s’expliquer par l’interaction de la sous-unité protéique de pointe porteuse de RBD avec la sous-unité opposée, qui s’aligne à mi-chemin entre les états. Lorsqu’elles sont complètement ouvertes, les liaisons hydrogène entre ces sous-unités sont interrompues par les glycanes à N165 et N122, ce qui explique la forte préférence observée pour l’état ouvert sur la protéine de pointe non glycosylée.
Protéine S du SRAS-CoV-2. (a) La protéine S trimérique à l’état tout en bas, colorée par le protomère. Les glycanes sont représentés par des sphères rouges. (b) Vue de dessus de la protéine S à l’état unique. Des domaines importants du pic sont mis en évidence, notamment le domaine N-terminal (NTD, 14–306), les domaines de liaison au récepteur (RBD, 336–518), la répétition heptade 1 (HR1, 908–986) et l’hélice centrale (CH, 987-1035). (c,d) Les deux variables collectives définies pour décrire l’ouverture de RBD-A comprennent : (c) la distance du centre de masse d entre RBDA (rose) et SD1-B (tilleul), et (d) le dièdre angle formé par les domaines RBD-A (rose), SD1-A (violet), SD2-A (bleu glacier) et NTD-A (cyan). RBD-A dans les états bas (rose fixe) et haut (rose transparent) sont affichés.
Des contacts glycanes distincts supplémentaires qui stabilisent la conformation ouverte ou fermée ont été notés par le groupe, notamment les glycanes N234 et N343 qui changent de position notamment lors du passage de fermé à ouvert. Le glycane N234 pointe vers l’extérieur, loin du corps de la protéine, lorsqu’il est dans la conformation fermée, passant à une conformation tournée vers l’intérieur lorsque la pointe s’ouvre. Le glycane à N343 agit également comme une porte vers le RBD, travaillant avec le glycane N165 susmentionné pour chacun stabiliser individuellement la conformation fermée.
Cependant, les glycanes N165 et N343 interagissent de manière significative lorsque la protéine de pointe est en conformation ouverte et travaillent à la stabiliser. Le groupe suggère que cette interaction empêche également le RBD d’interagir prématurément avec le motif de liaison au récepteur adjacent, ce qui inhiberait par la suite l’interaction avec le récepteur ACE2.
La protéine de pointe et le domaine de liaison au récepteur, en particulier, sont également une cible majeure des anticorps neutralisants. Cependant, le RBD est généralement inaccessible aux anticorps lorsqu’il est en conformation fermée en raison de la couverture en glycane. Le groupe a simulé de nombreux anticorps connus et examiné le mode de liaison dans chaque conformation, confirmant le taux de neutralisation plus élevé envers les protéines à pointes ouvertes. Fait intéressant, des anticorps particuliers ont été identifiés comme ayant une affinité tout aussi élevée envers la protéine de pointe dans l’une ou l’autre conformation, se liant à certaines des rares régions exposées du RBD, et le groupe met en évidence ces anticorps pour une enquête plus approfondie.
*Avis important
bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, orienter la pratique clinique/le comportement lié à la santé, ou traités comme des informations établies.
