La pandémie de la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19), causée par le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2), s’est propagée avec une dévastation rapide dans le monde entier. L’incapacité à contenir sa propagation sans recourir à des restrictions draconiennes sur les interactions sociales ordinaires et les voyages a montré le besoin urgent de médicaments antiviraux à large spectre pour lutter contre le virus.
Étude : L’incorporation efficace et l’inhibition de la polymérase dépendante de la matrice sont des déterminants majeurs de l’activité antivirale à large spectre du remdesivir. Crédit d’image : StudioMolekuul/Shutterstock
Une nouvelle préimpression suggère une approche fructueuse pour développer de tels médicaments sur la base d’études de modélisation biochimique et moléculaire du médicament remdesivir. Une version préimprimée de l’étude est disponible sur le site bioRxiv* serveur pendant que l’article est soumis à une évaluation par les pairs.
Sommaire
Fond
À une vitesse sans précédent, des vaccins ont été créés à l’aide de plates-formes de vecteurs d’acide nucléique et d’adénovirus, qui étaient toutes deux au centre de la recherche depuis des années. Ceux-ci se sont avérés relativement sûrs et efficaces pour induire une immunité contre le virus. Des anticorps monoclonaux ont également été développés, montrant une activité neutralisante spécifique contre le SRAS-CoV-2, et ont obtenu une autorisation d’utilisation d’urgence.
Le premier médicament antiviral à être approuvé pour le traitement au COVID-19 était le remdesivir (RDV) analogue de nucléoside. Il a montré sa capacité à agir contre plusieurs virus dans des études précliniques et s’est montré sûr chez l’homme lors d’un essai clinique contre le virus Ebola. Même si le RDV n’est pas très efficace contre Ebola, par rapport à plusieurs anticorps thérapeutiques, son profil de sécurité a conduit à son approbation d’urgence pour une utilisation chez les patients COVID-19. Cependant, son efficacité dans cette situation est très limitée.
Le RDV a montré une activité antivirale contre plusieurs virus à ARN de sens positif, y compris les coronavirus, les flavivirus comme le virus de l’hépatite C (VHC), les filovirus comme le virus Ebola et les pneumovirus comme le virus respiratoire syncytial. D’autres, comme le virus Lassa (un arénavirus) et le virus de la grippe (un orthomyxovirus), ne sont pas sensibles.
Le RDV est un promédicament modifié de C-adénosine monophosphate avec un groupe 1′-cyano. Sous sa forme triphosphate (RDV-TP), il est incorporé dans l’ARN polymérase ARN-dépendante (RdRp) de nombreux virus à ARN, à un taux 2 à 3 fois plus élevé que le nucléoside naturel adénosine triphosphate (ATP). Après incorporation, il est présent sous forme de monophosphate (RDV-MP), et cet analogue au point d’incorporation « i » conduit à une terminaison de chaîne retardée à la position « i+3 ».
Ceci peut être surmonté en augmentant le nucléoside triphosphate (NTP). Cependant, le RDV-MP intégré dans l’ARN nouvellement synthétisé devient un modèle pour une synthèse ultérieure. Cela conduit à une incorporation réduite de l’uridine triphosphate complémentaire (UTP) dans le brin opposé, fournissant un autre mécanisme inhibiteur pour empêcher la synthèse d’ARN et donc la réplication virale.
Avec l’incorporation d’un RDV-TP, la terminaison de chaîne retardée n’est observée qu’avec les complexes coronavirus SARS-CoV, MERS-CoV et SARS-CoV-2 RdRp. Un résidu sérine conservé se heurte au groupe 1′-cyano au point i+3. Avec ce dernier, le choc sérine-1′-cyano est éloigné du site actif, expliquant pourquoi des concentrations de NTP > 10 M ont souvent réussi à surmonter l’inhibition.
Pour le SARS-CoV-2 RdRp, la concentration de nucléotides devait être dix fois plus élevée pour surmonter l’effet inhibiteur de 50 % au-delà du point i, par rapport à HCV RdRp.
Auparavant, les chercheurs ont montré que lorsque le RDV-TP est incorporé à plusieurs positions consécutives, une terminaison de chaîne retardée aux positions « i+3 » et « i+5 » se produit même avec les complexes RdRp des virus Ebola, RSV et Nipah.
Qu’a montré l’étude ?
Dans la présente étude, les chercheurs ont découvert que l’activité antivirale de ce médicament était fonction de deux actions.
Premièrement, ils ont découvert que la capacité du médicament à inhiber le virus dans un essai cellulaire était étroitement liée au taux d’incorporation de RDV-TP.
L’efficacité d’incorporation sélective de RDV-TP est mesurée par le rapport d’efficacité d’incorporation de l’ATP d’origine de préférence à l’analogue RDV-TP. Pour le SRAS-CoV-2, le rapport est de 0,3, comparable au VHC (0,9), au virus Ebola (4,0) et aux enzymes RSV (2,7). En revanche, le virus Lassa avait un ratio de 20, et le virus de la grippe, tout comme d’autres virus qui n’étaient pas inhibés par le médicament, indiquant que ces virus n’incorporaient pas efficacement le RDV-TP.
Cette différence d’incorporation par la RdRp virale dépend dans une large mesure des différences dans les résidus qui composent le site de liaison des nucléotides, qui est hautement conservé et comprend plusieurs motifs. Parmi ceux-ci, les motifs A, B et C sont essentiels dans leurs interactions avec le NTP nouvellement incorporé.
Les auteurs ont ensuite créé un modèle de la structure ternaire des sites de liaison des enzymes RdRp à partir d’un panel de virus. Cela reflétait la différence observée dans la liaison du RDV-TP aux enzymes SARS-CoV-2 et HCV RdRp, par rapport au virus Lassa ou au virus de la grippe RdRp.
La première paire avait des sites de liaison très similaires pour le RDV-TP, ne nécessitant presque aucun changement de position ou de reconnaissance de la molécule de sucre ribose par rapport à la liaison d’ATP. Le groupe 1′-cyano peut se lier facilement à la poche de liaison polaire 1′.
Avec le SARS-CoV-2 RdRp, l’incorporation de RDV-TP a provoqué une terminaison de chaîne retardée à la position i+3. Avec le virus de la grippe, la portion du site actif contenant les résidus polaires est trop éloignée de celle qui reconnaît le ribose pour offrir une interaction tout aussi favorable avec le NTP. Une molécule d’eau semble également être présente au site de liaison du nucléotide. Cependant, en présence du groupe 1′-cyano, l’eau serait déplacée.
Les sites actifs des virus Lassa et grippe semblent avoir des séquences similaires, expliquant le faible taux d’incorporation de RDV-TP par ces enzymes RdRp.
Deuxièmement, dans le VHC RdRp, cela a conduit à une légère réduction de la synthèse d’ARN au point d’incorporation du nucléoside altéré (i) mais aucune inhibition à un point 3 nucléotides en avant (i+3). De plus, lorsque les nucléosides triphosphates (NTP) suivants étaient faibles en concentration, l’effet inhibiteur au point d’incorporation était rapidement surmonté et la synthèse d’ARN s’effectuait.
Ainsi, la terminaison de chaîne retardée n’était pas significative dans d’autres polymérases virales, indiquant que le RDV ne supprime pas dans une large mesure les réactions d’extension d’amorce.
La question demeurait quant au mécanisme par lequel le RDV pourrait exercer des effets inhibiteurs sur un large éventail de virus. Même si le VHC et le SRAS-CoV-2 ont montré la capacité d’incorporer très efficacement le RDV-TP dans le brin d’ARN, ce n’est qu’avec ce dernier que RdRp a été inhibé de manière significative, comme le montre le blocage de l’extension d’amorce.
En d’autres termes, la terminaison de chaîne retardée peut contribuer à l’effet antiviral du RDV-TP dans les coronavirus. Pourtant, un autre mécanisme doit être recherché pour l’inhibition observée du VHC également.
Cela s’explique par l’inhibition à la fois du SARS-CoV-2 et du VHC RdRp avant le point où l’UTP est incorporé, ce qui est surmonté en augmentant la concentration d’UTP. Cependant, l’effet inhibiteur est plus facilement surmonté avec le VHC RdRp, qui montre également une inhibition uniquement à la position 10, alors que le SARS-CoV-2 RdRp est inhibé à la position dix et ses positions voisines.
Ces deux mécanismes se combinent pour renforcer l’inhibition de la synthèse d’ARN pour le SRAS-CoV-2 plus que pour le VHC. Alors que l’inhibition de l’extension d’amorce est faible, variable et facilement surmontée par des concentrations de NTP plus élevées, l’inhibition dépendante de la matrice de l’incorporation d’UTP en face du RDV-MP intégré est importante pour les deux virus.
Quelles sont les implications ?
Dans les études cliniques, le RDV n’a pas montré sa capacité à réduire la mortalité due au COVID-19, mais le temps de récupération a été raccourci. Le deuxième inconvénient du RDV est la nécessité d’une administration intraveineuse. Les médicaments oraux pourraient être administrés en ambulatoire, réduisant ainsi l’incidence du COVID-19 sévère en inhibant la progression de la maladie.
Les résultats d’études comme celle-ci pourraient aider à comprendre la base moléculaire de l’activité antivirale et ainsi accélérer le développement d’antiviraux oraux à large spectre d’activité.
Dans l’ensemble, cette analyse suggère que l’effet inhibiteur dans les réactions d’extension d’amorce est hétérogène et généralement faible. En revanche, l’inhibition dépendante de la matrice de la synthèse d’ARN semble fournir un mécanisme unificateur qui montre une forte inhibition de l’incorporation d’UTP en face de RDV-MP. »
Combiné avec des données antérieures, les chercheurs concluent que l’effet antiviral du RDV est corrélé à l’incorporation efficace du RDV-TP dans l’ARN nouvellement formé, et cette incorporation sélective est essentielle pour son activité inhibitrice. Le type de RdRp détermine la susceptibilité de l’ARN à la terminaison de chaîne, mais dans l’ensemble, l’inhibition par ce mécanisme est relativement facilement surmontée en augmentant les concentrations de NTP.
En effet, les concentrations plus élevées permettent à l’enzyme de se déplacer et de poursuivre la synthèse d’ARN. Les auteurs suggèrent que ce type de faible inhibition de la synthèse du premier brin d’ARN pourrait être souhaitable pour le coronavirus car il permet une évasion immunitaire.
Cependant, l’inhibition dépendante de la matrice de la synthèse d’ARN en face du RDV-MP intégré est observée avec le panel d’enzymes RdRp étudié ici. L’inhibition de l’incorporation d’UTP vis-à-vis du RDV-MP est probablement le résultat d’encombrements stériques provoqués par la présence du groupe 1′-cyano, qui entre en conflit avec les résidus F du motif conservé.
Ce mécanisme d’inhibition est applicable à un large spectre de virus, même ceux qui ne sont pas sensibles à ce médicament. Cependant, il n’est pas suffisant pour provoquer une efficacité antivirale, qui dépend de l’incorporation sélective efficace de RDV-TP.
Il n’y a pas d’inhibition significative par RDV-TP dans les extensions d’amorces, et une forte inhibition ou même une terminaison lorsque RDV-MP est inclus dans la matrice. Cependant, l’inhibition ne se traduit par des effets antiviraux que si le taux d’incorporation de RDV-TP est suffisamment élevé. »
Cela offre la possibilité de développer un médicament qui peut être incorporé efficacement par les enzymes virales RdRp tout en exploitant les effets stériques d’un groupe volumineux en position 1′.
*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
