Dans une étude récente publiée dans la revue Nature, les chercheurs utilisent la microscopie électronique cryogénique (cryo-EM) en tandem avec la simulation de la dynamique moléculaire pour révéler que les protéines de pointe généralement fermées du coronavirus humain HKU1 changent radicalement lors de la liaison avec un récepteur primaire à base de sarcoglycane. Ces modifications conformationnelles locales et à long terme entraînent le passage des protéines de pointe à l’état ouvert et élucident les mécanismes sous-jacents aux attaches des coronavirus.
Ces découvertes représentent la première description d’un coronavirus humain exposant son S1B domaines à la demande, ce qui suggère que le mode d’attachement du coronavirus bêta aux cellules hôtes est encore plus complexe et sophistiqué qu’on ne l’avait cru auparavant.
Étude: La liaison au sialoglycane déclenche l’ouverture d’un pic dans un coronavirus humain. Crédit d’image : Design_cells/Shutterstock.com
Embecovirus et importance des protéines de pointe du CoV
Avant l’émergence du coronavirus 2 (SARS-CoV-2) du syndrome respiratoire aigu sévère, quatre principales espèces de coronavirus (CoV) ont colonisé les humains dans le monde. Deux de ces virus, à savoir HKU1 et OC43, sont passés aux humains à partir de réservoirs de rongeurs et sont uniques par rapport aux autres espèces de CoV, car ils nécessitent des glycanes de surface cellulaire comme récepteurs primaires. HKU1 et OC43 appartiennent tous deux au sous-genre bêtacoronavirus Embécovirus.
Les protéines Spike, également connues sous le nom de protéines péplomères, forment des projections en forme de bâtonnet ou de massue à la surface d’un virus enveloppé. Les protéines Spike sont caractérisées comme ayant généralement de grands ectodomaines externes, un seul domaine transmembranaire qui ancre la protéine dans l’enveloppe virale et une courte queue à l’intérieur du virion.
Les protéines Spike jouent un rôle essentiel dans l’attachement du virus et son entrée ultérieure dans les cellules hôtes. La plupart des protéines de pointe ont un site de liaison pour les récepteurs de surface cellulaire, qui est généralement situé à l’extrémité de la pointe, qui reconnaît les récepteurs de surface de la cellule hôte et s’y lie préférentiellement pour l’entrée cellulaire.
Embécovirus les protéines de pointe se lient à 9-Ô-les sialosides acétylés (9-Ô-Ac-sialosides). Cette liaison est mise en évidence par les membres du sous-genre qui codent pour l’hémagglutinine estérase, une protéine d’enveloppe supplémentaire introuvable dans d’autres souches de CoV. L’hémagglutinine estérase est un type de sialate-Ô-acétylestérase qui fonctionne comme une enzyme destructrice des récepteurs.
Les protéines de pointe du CoV appartiennent à une sous-classe de protéines connues sous le nom de protéines de fusion homotrimériques de classe I, qui peuvent être divisées en régions amino (désignées « S1 ») et carboxy-terminales (désignées « S2 »). Les domaines protéiques S1 sont impliqués dans la médiation de la liaison aux récepteurs, tandis que les domaines S2 comprennent la machinerie de fusion de la protéine de pointe CoV.
Dans Embécovirus, pièce jointe au 9-Ô-Les Ac-sialosides se produisent via un site de liaison au récepteur de l’hôte bien conservé trouvé dans le S1UN domaine. Des études récentes ont trouvé des preuves d’un deuxième domaine, S1B, qui peut servir de récepteur secondaire, comme le démontre la cartographie des anticorps neutralisant le virus sur le sous-domaine S1B2.
Les protéines de pointe du SRAS-CoV, du SRAS-CoV-2 et du coronavirus du syndrome respiratoire du Moyen-Orient (MERS-CoV) se présentent sous différentes conformations avec leur S1 de liaison au récepteurB domaines soit partiellement enterrés entre protomères voisins (« fermés » ou « vers le bas ») ou avec un ou plusieurs S1B domaines exposés (1-, 2- et 3-up, ‘open’) »
Étant donné que les protéines Spike et d’autres protéines virales de surface cellulaire sont utilisées par le système immunitaire de l’hôte pour identifier et éradiquer les infections, la transition entre S1 ouvert et ferméB Les états permettent au virus de se protéger contre la réponse immunitaire de l’hôte lorsqu’il est fermé tout en conservant son potentiel infectieux à l’état ouvert. À de rares exceptions près, les protéines de pointe pré-fusion de tous les CoV ont été exclusivement observées à l’état fermé.
Étant donné que les états ouverts et fermés sont connus de la science, la recherche sur les déclencheurs/signaux spécifiques de transition entre S1B Les États feraient la lumière sur les mécanismes par lesquels les souches de CoV échappent à la détection immunitaire de l’hôte et atteignent la virulence élevée pour laquelle elles sont observées.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs étudient les signaux modulant le changement entre les états ouvert et fermé dans le CoV HKU1 humain. À cette fin, le cryo-EM a été utilisé pour évaluer la structure des protéines de pointe HKU1 et les domaines protéiques pertinents.
Les chercheurs ont commencé par exprimer et purifier les ectodomaines trimériques de pointe HKU1 en exprimant une séquence de la protéine de pointe HKU1-A dans un vecteur d’expression pCG2. Cette construction a ensuite été incorporée dans des cellules vectorielles transitoires HEK293T, tandis que la glycoprotéine de pointe a été purifiée par chromatographie d’affinité.
Les protéines de pointe purifiées résultantes ont été préparées pour la cryo-EM à l’aide de grilles QuantiFoil R1.2/1.3, qui ont été transférées et congelées dans de l’éthane liquide. Un total de 4 207 vidéos (protéine de pointe apo) et 4 065 (protéine de pointe holo) ont été générées à une résolution de 0,415 Å par pixel à l’aide d’un microscope électronique à cyro-transition (cryo-TEM).
Le traitement des particules d’image unique impliquait un traitement de correction de mouvement par patch, au cours duquel les micrographies présentant une résolution de fonction de transfert de contraste (CTF) <10 Å étaient exclues des analyses ultérieures.
Un modèle d’homologie de protéine de pointe HKU1-A a été créé en faisant référence à la structure protéique d’un modèle décrit précédemment. Embécovirus Structure de pointe OC43. En raison des différences entre OC43 et HKU1-A S1B structures cristallines, le modèle de modèle a été amélioré en remplaçant le S1 équivalent à OC43B structure avec un HKU1-A S1B structure cristalline dérivée des analyses de données cryo-TEM. Les glycanes liés à l’azote ont ensuite été construits à l’aide du modèle glucidique Coot, après quoi des inspections et des optimisations manuelles ont été effectuées.
Des simulations de dynamique moléculaire ont été conçues à l’aide de données obtenues à partir d’images de structure cryo-EM. Les N-glycanes ont ensuite été attachés à la protéine à l’aide de données quantitatives provenant d’une analyse N-liée spécifique au site de la protéine de pointe HKU1 analysée.
La visualisation des états ouvert et fermé de la protéine HKU1 a été réalisée à l’aide du logiciel UCSF ChimeraX, avec une coloration de la protéine Spike réalisée dans Consurf. PDBePISA a été utilisé pour calculer les zones d’interface des pointes et l’outil UCSF Chimera MatchMaker a été utilisé pour obtenir les valeurs d’écart quadratique moyen.
Résultats de l’étude
La présente étude a abordé la confusion liée à l’absence d’observations antérieures de protéines de pointe CoV à l’état ouvert en utilisant la modélisation cryo-TEM et de la dynamique moléculaire pour décrire qu’un signal spécifique de liaison du récepteur 9- basé sur le disialosideÔ-Ac-Sia(α2,8)Sia à S1UN peut entraîner l’ouverture non spontanée de la configuration de la protéine de pointe jusqu’à présent fermée. Puisque cette transition de l’état fermé à l’état ouvert expose S1Blui permettant ainsi de se lier aux récepteurs protéiques de la surface des cellules, facilitant ainsi l’infection, ce résultat présente une étape importante pour élucider les mécanismes qui permettent aux virus CoV d’échapper aux réactions immunitaires de l’hôte tout en conservant leur potentiel infectieux.
Les données TEM et de modélisation ont révélé quatre structures protéiques distinctes parallèlement à la transition de la conformation de la protéine de pointe complètement fermée (apo) à complètement ouverte (holo). Dans l’étape de transition initiale, S1UN la liaison disialoside convertit l’état apo en un état encore fermé mais amorcé pour le S1B état de transition. Bien qu’elles soient extrêmement transitoires et de courte durée, des images rapides à haute résolution ont pu confirmer qu’il s’agissait d’un état distinct non décrit auparavant.
Nos résultats suggèrent une relation mécaniste causale entre les changements conformationnels induits par le disialoside dans e1, S1A1 rotation, le remodelage du S1UN–S1B interface et S1B expulsion. Pourtant, nous notons que la topologie de l’élément e1 dans notre structure apo de pointe HKU1-A est atypique et diffère de celle de la protéine de pointe de HKU1-B et de celles des variantes OC43 du bêtacoronavirus-1, du CoV bovin et du virus de l’encéphalomyélite hémagglutinante porcine.
Ces résultats suggèrent que le mode d’attachement du CoV aux cellules humaines pourrait être beaucoup plus sophistiqué et complexe qu’on ne le pensait auparavant. Les résultats de l’étude impliquent également la présence d’une utilisation double du récepteur et du S1.UN l’amorçage comme modalité pour échapper à la détection immunitaire de l’hôte.
