Les glycanes «verrouillent et chargent» la protéine de pointe SARS-CoV-2 pour l'infection

Une nouvelle étude réalisée par des scientifiques de l'Université de Californie à San Diego, États-Unis et de l'Université Maynooth, Irlande et publiée sur le serveur de préimpression bioRxiv * en juin 2020, rapporte des résultats préliminaires montrant que la protéine de pointe du SARS-CoV-2, ainsi que sa couche de glycane, ont des propriétés «fonctionnelles et structurelles jusque-là invisibles». Ceux-ci peuvent être utiles dans la conception de nouvelles thérapies pour cibler cette molécule.

Même si la pandémie de COVID-19 continue de circuler, causant des centaines de milliers de décès dans le monde, les scientifiques s'efforcent de développer un vaccin ou une thérapeutique efficace. Cependant, la plupart des efforts visent la protéine de pointe du virus.

La protéine S

Comme d'autres coronavirus, le SARS-CoV-2 a une enveloppe lipidique et un ensemble de protéines structurelles formant un échafaudage et une enveloppe, ainsi que la membrane de la cellule hôte, pour l'acide nucléique du virus. La protéine S ou spike est trimérique, avec trois domaines, la tête, la tige et la queue cytoplasmique.

Chaque protomère a une sous-unité S1 et S2 qui constitue la région de tête. Il existe deux sites de clivage, un pour la sérine protéase transmembranaire TMPRSS2 à l'interface de S1 et S2, qui est essentiel pour amorcer et activer la protéine de pointe afin que l'infection puisse se produire, et un autre pour la furine. Le deuxième site de clivage en S2 libère le peptide de fusion, qui prépare la membrane de la cellule hôte pour la fusion.

La tête de la pointe a plusieurs domaines, l'un étant un domaine N-terminal et l'autre le domaine de liaison au récepteur (le NTD et le RBD respectivement). Le RBD a un motif de liaison au récepteur (RBM) qui interagit avec la molécule du récepteur ACE2 sur la membrane de la cellule hôte pour entrer dans la cellule. Le S2 est «une machine de fusion à ressort métastable» qui provoque la fusion de la cellule hôte et de la membrane virale, et se compose du peptide de fusion et d'autres domaines.

Virus du SRAS-CoV-2 se liant aux récepteurs ACE-2 sur une cellule humaine, stade initial de l'infection au COVID-19, illustration conceptuelle en 3D crédit: Kateryna Kon / Shutterstock

Glycosylation et fonction virale

Au-delà de tous ces domaines, il y a la glycosylation lourde de la protéine S qui est néanmoins difficile à caractériser en détail. Cette modification est essentielle au processus pathogène, comme le démontre l'épais revêtement de N-glycanes sur les protéines de fusion virales de nombreux virus. Par exemple, le VIH-1 a une pointe d'enveloppe, qui est presque entièrement recouverte de N-glycane sur toute la zone exposée. Les N-glycanes représentent plus de la moitié du poids moléculaire de la protéine.

Ces N-glycanes ont une gamme de fonctions, en raison de leur structure chimique. Par exemple, les glycanes sur l'enveloppe virale reconnaissaient souvent les récepteurs des cellules hôtes et initiaient l'entrée virale par fusion membranaire.

Un autre rôle possible est de protéger les protéines virales du système immunitaire de l'hôte, en enduisant les surfaces protéiques exposées de glycoprotéines non immunogènes, ou seulement faiblement. Le glycane d'enveloppe du virus VIH-1 est principalement composé d'oligomannose, ce qui est parfait à cet effet.

En revanche, les coronavirus SARS et MERS ont des protéines S moins bien protégées. Ils ont un schéma de glycosylation différent, avec des N-glycanes plus complexes que l'oligomannose du virus VIH-1.

On prévoit que chacun des protomères qui composent le trimère SARS-CoV-2 aura 22 sites de N-glycosylation, 17 étant occupés, avec 2 sites de O-glycosylation.

Glycans Shield Spike Protein

Le présent article se concentre sur les simulations de dynamique moléculaire (MD) de l'atome entier, montrant le profil de glycosylation de la glycoprotéine S entière incorporée dans la membrane du virus. Cela donne un aperçu de la façon dont la RBM devient plus ou moins accessible lorsque la conformation de la RBD est «vers le haut» ou «vers le bas». Cela souligne le rôle joué par les glycanes dans la reconnaissance et la liaison de l'ACE2 et donc pour l'invasion des cellules hôtes.

La simulation de toute la longueur de la protéine S montre que la tige est presque complètement protégée, en particulier pour les grosses molécules, y compris les anticorps. Cependant, la région de la tête présente de nombreux épitopes plus accessibles et serait une meilleure cible pour le développement d'anticorps.

La glycosylation se coordonne avec les changements conformationnels

Enfin, les chercheurs montrent que le schéma de glycosylation spécial de la protéine S sur le SARS-CoV-2 est également une partie fonctionnelle intrinsèque de la molécule. Certains sucres à des endroits spécifiques jouent un rôle modulateur sur la conformation de la protéine S de sorte que le RBD reste stable en position «haute».

Les N-glycanes sur la RBM de la tête de la protéine S doivent à la fois la protéger de la reconnaissance immunitaire mais lui permettre de reconnaître et de se lier aux récepteurs ACE2 car c'est la principale voie d'entrée des cellules hôtes. Cela exige que les glycanes se coordonnent avec les changements conformationnels.

Les chercheurs décrivent cette relation: «Cela suggère que le bouclier de glycane de ce domaine critique est efficacement associé à son changement de conformation« de bas en haut », permettant au RBM d'émerger transitoirement du bouclier de glycane et de se lier aux récepteurs ACE2.

Au-delà du blindage, les simulations prédisent que les glycanes verrouillent et chargent le #SRAS-CoV-2 protéine de pointe pour l'infection @ LCasalino88 @zied_gaieb @ElisaTelisa @abbydommer @biobryn #gotglycans? #glycotime #COVID-19(FEMININEhttps://t.co/7ePW0Z5Uvx pic.twitter.com/4JNF6RbjGI

– Rommie Amaro (@RommieAmaro) 12 juin 2020

La glycosylation protège les épitopes contre les anticorps

La zone de la RBM est, par conséquent, beaucoup plus largement couverte par les glycanes dans la conformation «up» que dans la conformation «down», à 35% contre 9%, respectivement. Lorsqu'une molécule plus grosse, comme un anticorps, est utilisée pour sonder l'accessibilité du RBM, cette différence est encore plus marquée, à 46% contre 11%. Avec des sondes plus petites, l'effet de blindage est beaucoup plus faible, à 6% et 16%, respectivement, pour les configurations «up» et «down».

Cette variabilité n'est pas observée dans le reste de la région RBD loin de la RBM, qui est protégée dans les deux conformations par des glycanes. Ces N-glycanes sont liés au RBD aux résidus critiques. L’image finale révèle donc une RBM accessible dans la conformation «up» du RBD, mais qui est fortement camouflée en position «down».

D'un autre côté, les anticorps ne peuvent pas pénétrer le RBD en position «basse», mais les médicaments à petites molécules peuvent le faire, suggère la simulation. Des études structurales effectuées précédemment confirment que tel est le cas, montrant que les anticorps de l'hôte ne peuvent neutraliser le domaine C-terminal-1 que si le RBD est «en hausse».

Les chercheurs décrivent également un certain nombre d'anticorps dirigés contre la protéine S, dont la plupart ciblent les épitopes RBD, mais quelques-uns contre les régions de la NTD et de la CD. Celles-ci sont minimalement protégées par des glycanes dans la configuration «up», et ceci est mis à profit par des anticorps pour lier la protéine S à ce stade. L'effet de blindage est beaucoup plus élevé, de 11% / 13% à 47% / 62% ou 38% / 49% selon l'épitope et la taille de la sonde. Enfin, avec le RBD «en panne», le RBM est enterré dans la grotte formée par les deux RBD voisins, ce qui le rend encore moins accessible de 40%.

D'autres épitopes répètent ce modèle, mais certains constituent une partie de l'épitope lui-même, ce qui augmente la zone non blindée et la laisse exposée même dans la conformation «vers le bas». D'autres sont fortement protégés dans les deux positions.

Glycosylation et stabilité structurelle du RBD en position haute

Les épitopes jouent également un rôle majeur dans la stabilisation structurelle du RBD dans les configurations «ouverte», «fermée» et mutante, permettant à la protéine de rester «en place» et la déstabilisant gravement si même une seule mutation est présente. Le mouvement de la protéine est également affecté par la présence de ces N-glycanes, soit un mouvement de rotation centré sur les hélices des pointes, soit un titrage loin ou vers elles. Ces mouvements affecteront l'ouverture du RBD et exposeront des épitopes cachés.

L'analyse des modèles de liaison hydrogène dans ces configurations montre que de nombreux N-glycanes interagissent profondément dans diverses poches, y compris celle créée par l'ouverture du RBD.

L'étude montre ainsi comment le glycane protège une partie importante de la surface de la protéine S, changeant avec la conformation et présentant divers degrés d'exposition aux anticorps et aux petites molécules. Les N-glycanes de certains sites spécifiques ont également d'autres rôles. Certains d'entre eux modulent la commutation conformationnelle de la protéine S et décident du type de mouvement du RBD. Dans l'ensemble, les chercheurs disent: «Notre travail jette un nouvel éclairage sur la structure complète de cet objectif critique et met en évidence des opportunités et des défis pour les petites molécules et la conception de vaccins.»

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