Aperçus mécanistes des pièges à récepteurs ACE2 conçus

Dans une récente étude publiée sur bioRxiv*, les chercheurs ont déterminé les structures cryo-microscopiques électroniques (cryo-EM) des pièges à récepteurs de l’enzyme de conversion de l’angiotensine 2 (ACE2).

Le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2) a acquis de multiples mutations tout au long de la pandémie de maladie à coronavirus 2019 (COVID-19). SARS-CoV-2 Omicron a 37 mutations dans la protéine de pointe. Les domaines N-terminal (NTD) et de liaison au récepteur (RBD) de la protéine de pointe contiennent respectivement 11 et 15 mutations, entraînant une neutralisation plus faible par le plasma des convalescents ou des sujets entièrement vaccinés.

Auparavant, les auteurs ont conçu des pièges à récepteurs ACE2 pour la neutralisation du SRAS-CoV-2. Ils ont été conçus par calcul et optimisés en affinité par affichage de surface de levure. Les domaines ACE2 ont été fusionnés avec un fragment cristallisable (F_c) domaine d’IgG1 humaine pour une avidité de liaison supplémentaire et à un F néonatal_c récepteur pour une demi-vie augmentée. Les structures d’ACE2-F conçues par ordinateur (CVD293) et mûries par affinité (CVD313)_c les constructions de fusion liées à RBD n’ont pas été déterminées.

L’étude et les conclusions

Dans la présente étude, les chercheurs ont réduit la longueur du lieur entre ACE2 et F_c pour générer une nouvelle construction (CVD432) et des structures cryo-EM résolues des pièges modifiés (CVD293 et ​​CVD432) liés à la protéine de pointe entière. Tout d’abord, les auteurs ont vérifié que CVD293 et ​​CVD432 neutralisent le virus pseudo-typé de pointe de type sauvage (WT).

Le complexe WT spike-CVD293 avait un état 1-RBD-up avec une occupation ACE2 complète et un pourcentage appréciable d’état 1-RBD-up avec une occupation partielle ACE2, un état 2-RBD-up avec une occupation 1-ACE2 et 1- État RBD-up sans occupation ACE2, par trimère. En revanche, le complexe WT spike-CVD432 a montré un état 1-RBD-up avec une occupation complète de l’ACE2, un état 2-RBD-up avec une occupation 2-ACE2, un état tout-RBD-down et d’autres états partiels ou non. Occupation ACE2 états 1 ou 2-RBD-up.

Ensuite, l’équipe a développé un flux de travail multi-modèles combinant la cryo-EM et la modélisation des protéines Rosetta pour calculer l’énergie d’interface moyenne prédite. Des tronçons se chevauchant de 10 résidus de l’interface ACE2 de chaque modèle cryo-EM (pointe-CVD239 et pointe-CVD432) ont été soumis à un déménageur CartesianSampler à Rosetta pour générer 2000 modèles pour chaque tronçon de 10 résidus. Ces modèles ont été minimisés en atomes dans la carte cryo-EM à l’aide du moteur FastRelax. Le protocole de raffinement a été itéré pour générer près de 8000 modèles.

Les modèles atomiques ont été classés en fonction des scores Rosetta et 80 modèles ont été sélectionnés. Les résidus d’hélice d’interface des 80 modèles ont été superposés pour examiner la convergence des conformations des chaînes latérales et des interactions intermoléculaires. Ils ont noté que le résidu Q35 dans CVD293 et ​​CVD432, un résidu d’écart quadratique moyen (RMSD) moyen élevé de la chaîne latérale, formait une liaison hydrogène avec le résidu Q493 du pic WT dans plus de 90 % des modèles atomiques.

En outre, ils ont noté que les résidus RMSD de chaîne latérale moyenne faible dans CVD293 et ​​CVD432 formaient des interactions hydrophobes avec les résidus de pointe correspondants. Les auteurs ont rapporté que les résidus hydrophobes RMSD moyens à faible chaîne latérale créés dans les pièges récepteurs amélioraient l’affinité de liaison.

L’énergie d’interface prédite pour CVD293 était inférieure (-58 unités d’énergie Rosetta, REU) à l’énergie d’interface moyenne pour les 80 modèles (-45 REU) en raison des différences dans les interactions médiées par les chaînes latérales. Le résidu Q35 modifié dans CVD293 avait la plus grande RMSD moyenne de chaîne latérale par résidu.

Des mutations multiples de pointe de SARS-CoV-2 Omicron ont été recensées dans d’autres variantes, bien que la variante ait 14 modifications uniques qui améliorent son affinité obligatoire. Ensuite, les chercheurs ont évalué la liaison d’Omicron RBD aux pièges ACE2 conçus. À cette fin, ils ont généré des modèles de complexes Omicron RBD-CVD293 et ​​Omicron RBD-CVD432 en superposant et en remplaçant WT RBD dans le raffinement local cryo-EM par Omicron RBD et en minimisant les complexes.

L’énergie d’interface pour les résidus dans le complexe Omicron RBD-CVD293 était de 10,77 REU et de -8,5 REU pour le complexe Omicron RBD-CVD432, l’énergie d’interface pour Omicron RBD-WT ACE2 était de -4,99 REU. Les auteurs ont effectué une interférométrie de biocouche (BLI) de CVD293 ou CVD432 avec Omicron RBD pour tester si les énergies d’interface prédites correspondaient aux affinités de liaison apparentes.

Les constantes de dissociation (K_ré) pour Omicron RBD-CVD293 (4,2 nM) et Omicron RBD-CVD432 (0,53 nM) étaient 10 et 100 fois inférieurs à ceux d’Omicron RBD-WT RBD, respectivement. De plus, des essais de neutralisation ont été réalisés avec le virus recombinant de la stomatite vésiculeuse pseudo-typé avec Delta ou Omicron spike. CVD293 et ​​CVD432 ont neutralisé les pseudovirus Delta et Omicron, avec des améliorations de 2 à 20 fois des concentrations d’inhibition semi-maximales (IC₅₀) sur le pic WT.

conclusion

En résumé, les auteurs ont déterminé les structures cryo-EM des pièges ACE2 d’ingénierie complexés avec la pointe WT. Bien qu’informatif, le cryo-EM a fourni une résolution limitée à l’interface ACE2-RBD, ce qui a incité le développement d’un pipeline multi-modèle cryo-EM: Rosetta.

Ce pipeline a révélé que les interactions de liaison distribuées à l’interface entre les deux protéines étaient plus efficaces qu’une ou deux interactions à l’interface et que la stabilité des protéines individuelles était tout aussi importante que la stabilité du complexe.

En outre, la liaison d’Omicron RBD aux pièges récepteurs a été validée expérimentalement à l’aide de BLI et de la neutralisation de pseudovirus, ce qui a montré que les pièges ACE2 conçus pour la pointe WT étaient robustes contre la pointe mutante (d’Omicron). Dans l’ensemble, l’étude a illustré comment la cryo-EM et la modélisation informatique pouvaient être combinées pour améliorer le cycle de conception-construction-test pour concevoir des biothérapies.

*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, guider la pratique clinique/les comportements liés à la santé, ou traités comme des informations établies.