Un nouvel article publié dans Communication Nature ajoute une preuve supplémentaire à la théorie de la tempête de bradykinine de la pathogenèse virale de COVID-19 – ; une théorie qui a été avancée il y a deux ans par une équipe de chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie.
Au plus fort de la pandémie, le biologiste des systèmes de l’ORNL, Dan Jacobson, et son équipe ont utilisé le supercalculateur Summit de l’ORNL pour analyser les données d’expression génique des cellules pulmonaires des patients COVID-19. Leurs recherches ont suggéré que les gènes liés à certains des systèmes de l’organisme qui sont responsables du contrôle de la pression artérielle, de l’équilibre hydrique et de l’inflammation semblent être excessivement dérégulés ou altérés dans les cellules pulmonaires des personnes infectées par le virus. Dans un article publié dans eVie, l’équipe a prédit que la surproduction de bradykinine – ; le composé qui dilate les vaisseaux sanguins et les rend perméables – ; pourrait être la source des symptômes de la COVID-19 tels qu’une accumulation excessive de liquide dans les poumons, de la fatigue, des nausées et une diminution des fonctions cognitives.
Cette théorie a été étayée par une nouvelle étude menée par Jacobson et ses collègues des divisions Biosciences, Computational Sciences and Engineering et Neutron Scattering de l’ORNL en collaboration avec Soichi Wakatsuki, professeur de science des photons au SLAC National Accelerator Laboratory de l’Université de Stanford. L’équipe de Wakatsuki a pu prouver expérimentalement que la principale protéase du virus, 3CLpro, se lie au modulateur essentiel NF-κB, ou NEMO. Le clivage ultérieur de NEMO signifie qu’il dérégule NF-κB, qui est un complexe protéique qui aide à réguler la réponse du système immunitaire à l’infection – ; et sa dérégulation peut contribuer à une tempête de bradykinine, tout comme le modèle de pathogenèse de l’équipe de l’ORNL l’avait prédit.
« C’est l’aboutissement de beaucoup de travail venant de beaucoup d’angles différents », a déclaré Jacobson. « Nous sommes un groupe de biologie des systèmes informatiques, donc notre travail précédent était vraiment basé sur l’analyse de données à grande échelle. Cela prend tout ce travail informatique dans le laboratoire humide pour générer de nouveaux ensembles de données pour confirmer l’activité enzymatique et les interactions structurelles. C’est incroyablement excitant de voir toutes ces sources de preuves se rassembler et ensuite être validées – ; que tout ce que nos travaux précédents prédisaient être le cas est en fait vrai. »
Au SLAC, l’équipe de Wakatsuki a pu utiliser les protéines viral3CLpro (produites par le scientifique senior de l’ORNL Andrey Kovalevsky) et des peptides pour représenter les sites de clivage dans NEMO. L’équipe a ensuite utilisé la cristallographie aux rayons X pour montrer l’interaction structurelle entre les deux. De plus, une équipe de l’ORNL dirigée par l’ancienne chercheuse de l’ORNL Stephanie Galanie a pu montrer, biochimiquement, que 3CLpro peut cliver NEMO à des concentrations physiologiquement pertinentes.
Nous avons maintenant des preuves au niveau atomistique et une biochimie confirmant l’hypothèse selon laquelle il se lie et se clive exactement comme nous l’attendions. »
Dan Jacobson, biologiste des systèmes ORNL
Cette collaboration inter-laboratoires à l’ORNL et au SLAC est née par le biais du National Virtual Biotechnology Laboratory, ou NVBL, un programme du DOE financé par la Coronavirus Aid, Relief and Economic Security Act en 2020, qui a encouragé les laboratoires nationaux dans la lutte contre le COVID-19. Wakatsuki et Jacobson se sont rencontrés après que Jacobson a fait une présentation lors de l’une des sessions virtuelles du NVBL et a demandé à des collaborateurs de l’aider à prouver sa théorie de la tempête de bradykinine par le biais d’expériences de biologie structurelle.
« Nous sommes allés chercher des gens pour faire cette prochaine étape avec nous, et Soichi a pris la parole lors d’une des réunions et a dit: » Oui, allons-y. Et nous voici maintenant avec un bel article à fort impact. Je pense que c’est un réel avantage de l’approche collaborative sur laquelle le NVBL a fait travailler les laboratoires nationaux, et j’aimerais en voir plus « , a déclaré Jacobson.
Dans le cadre de cet effort, la biologiste des systèmes informatiques de l’ORNL, Erica Prates, alors chercheuse postdoctorale et maintenant membre du personnel en début de carrière à la Division des biosciences, a coordonné une équipe comprenant Omar Demerdash, Julie Mitchell et Stephan Irle de l’ORNL. Ils ont mené des travaux approfondis de dynamique moléculaire sur Summit en utilisant à la fois la mécanique quantique et des méthodes d’apprentissage automatique pour examiner l’affinité de liaison de NEMO et 3CLpro chez l’homme et d’autres espèces et pour examiner les modèles structurels dérivés des séquences d’autres coronavirus.
« Erica joue un rôle important dans ce que nous appelons la biologie structurelle des systèmes pour faire le pont entre les efforts de calcul dans les domaines de la biologie des systèmes et de la biologie structurelle », a déclaré Jacobson.
Les recherches de cette équipe permettront de mieux comprendre les effets de différents virus, dont les maladies zoonotiques, qui sont des maladies humaines d’origine animale, chez différentes espèces hôtes. Ces connaissances seront essentielles dans l’effort de prévoir ou même de prévenir la prochaine pandémie.
« Notre travail COVID se poursuit, mais une grande partie de notre attention s’est déplacée vers la prévention des pandémies », a déclaré Jacobson. « Nous avons de nouveaux financements obtenus en collaboration avec un certain nombre d’autres institutions de recherche qui sont vraiment axées sur la prévention dynamique et tentent de comprendre les règles de la zoonose et les effets, par exemple, des changements climatiques et comment ils entraînent de nouveaux événements de débordement zoonotiques. . »
Jacobson et ses collègues s’associent à l’Université Johns Hopkins, à l’Université Cornell et à d’autres pour mener un large éventail d’études et d’essais sur le terrain afin d’analyser les interactions entre les protéines virales et les protéines hôtes, créant ainsi les ensembles de données nécessaires aux modèles informatiques qui feront des prédictions de virus à travers toute une gamme d’espèces.
« Pourquoi les virus vivent-ils heureusement dans certaines espèces de manière non pathogène, mais deviennent pathogènes lorsque la propagation de la zoonose se produit ? Comment sautent-ils entre différentes espèces hôtes et ne sont-ils pas pathogènes jusqu’à ce qu’ils frappent les humains ? » dit Jacobson. « Les règles derrière la zoonose sont très mal comprises, et nous avons des travaux vraiment passionnants en cours dans lesquels nous construisons des modèles prédictifs pour comprendre les variables de l’environnement qui peuvent conduire à ces événements de débordement. »
La recherche des équipes a également été partiellement financée par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de l’ORNL, qui a soutenu le travail conceptuel sur le clivage NEMO dans des modèles animaux pour la pathologie COVID-19. Ce travail a utilisé les installations des utilisateurs du DOE Office of Science, notamment l’Oak Ridge Leadership Computing Facility, la Spallation Neutron Source et le High Flux Isotope Reactor, tous à l’ORNL, et la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource au SLAC.
Le financement de la conceptualisation de la pathogenèse humaine a été fourni par une subvention des National Institutes of Health.
