En février 2020, un trio d’experts en bio-imagerie était assis amicalement autour d’une table lors d’une conférence scientifique à Washington, DC, lorsque la conversation s’est déplacée vers ce qui était alors une épidémie virale inquiétante en Chine. Sans prévoir la catastrophe mondiale à venir, ils se sont demandé à haute voix comment ils pourraient y contribuer.
Près d’un an et demi plus tard, ces trois scientifiques et leurs nombreux collaborateurs dans trois laboratoires nationaux ont publié une étude complète dans Biophysical Journal qui, aux côtés d’autres études récentes et complémentaires sur les protéines et la génétique des coronavirus, représente la première étape vers le développement de traitements pour cela. infection virale, maintenant gravée dans la conscience mondiale sous le nom de COVID-19.
Leurs travaux fondamentaux se sont concentrés sur la machine à base de protéines qui permet au virus du SRAS-CoV-2 de détourner la machinerie moléculaire de nos propres cellules afin de se répliquer à l’intérieur de notre corps.
De la structure à la fonction en passant par les solutions
Il a été remarqué que tous les organismes ne sont qu’un moyen pour l’ADN de faire des copies de lui-même, et cela n’est nulle part plus vrai que dans le cas d’un virus. La tâche singulière d’un virus est de faire des copies de son matériel génétique – malheureusement, à nos frais. »
Greg Hura, chercheur au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et l’un des principaux auteurs de l’étude
Les virus et les mammifères, y compris les humains, sont coincés dans cette bataille depuis des millions d’années, a-t-il ajouté, et au fil du temps, les virus ont développé de nombreuses astuces pour copier leurs gènes à l’intérieur de nous, tandis que notre corps a développé des contre-défenses. Et bien que les virus effectuent souvent une longue liste d’autres activités, leur capacité à nous nuire avec une infection se résume vraiment à savoir s’ils peuvent ou non répliquer leur matériel génétique (soit de l’ARN, soit de l’ADN, selon l’espèce) pour fabriquer plus de particules virales. , et utilisent nos cellules pour traduire leur code génétique en protéines.
La machine à base de protéines responsable de la réplication et de la traduction de l’ARN dans les coronavirus – et de nombreux autres virus – s’appelle le complexe de transcription de l’ARN (RTC), et c’est une arme biologique vraiment formidable.
Pour dupliquer avec succès l’ARN viral pour les nouvelles particules virales et produire les nombreuses protéines des nouvelles particules, le RTC doit : faire la distinction entre l’ARN viral et l’ARN hôte, reconnaître et coupler les bases d’ARN au lieu de bases d’ADN très similaires qui sont également abondantes dans les cellules humaines, convertir leurs ARN en ARNm (pour duper les ribosomes humains en protéines virales), s’interfacer avec des molécules de contrôle d’erreur de copie et transcrire des sections spécifiques d’ARN viral pour amplifier certaines protéines par rapport à d’autres en fonction des besoins – tout en essayant à tout moment d’échapper au système immunitaire de l’hôte qui le reconnaîtra comme une protéine étrangère.
Aussi étonnant que cela puisse paraître, tout virus nouvellement évolué qui réussit « doit avoir des machines incroyablement sophistiquées pour surmonter les mécanismes que nous avons évolués », a expliqué Hura, qui dirige le département de biologie structurale de la division de biophysique moléculaire et de bioimagerie intégrée du Berkeley Lab.
Lui et les autres responsables de l’étude – Andrzej Joachimiak du Laboratoire national d’Argonne et Hugh M. O’Neill du Laboratoire national d’Oak Ridge – se spécialisent dans la révélation de la structure atomique des protéines afin de comprendre leur fonctionnement au niveau moléculaire. Ainsi, le trio savait dès le moment où ils ont discuté de COVID-19 pour la première fois à table que l’étude du RTC serait particulièrement difficile car les machines à protéines multitâches comme le RTC ne sont pas statiques ou rigides, comme les diagrammes moléculaires ou les modèles à billes. pourrait suggérer. Ils sont flexibles et ont des molécules associées, appelées protéines non structurelles et accessoires (Nsps), qui existent sous une multitude de formes se réorganisant rapidement en fonction de la tâche à accomplir – un peu comme un levier de vitesses sur un vélo adapte rapidement le véhicule à un terrain changeant. .
Chacun de ces arrangements Nsp donne un aperçu des différentes activités de la protéine, et ils exposent également différentes parties de la surface globale du RTC, qui peuvent être examinées pour trouver des endroits où les molécules médicamenteuses potentielles pourraient se lier et inhiber l’ensemble de la machine.
Ainsi, à la suite de leur heureuse convergence à Washington, le trio a élaboré un plan pour mettre en commun leurs connaissances et leurs ressources de laboratoire nationales afin de documenter la structure d’autant d’arrangements RTC que possible et d’identifier comment ces formes interagissent avec d’autres molécules virales et humaines.
La science pendant les arrêts
L’enquête reposait sur la combinaison de données collectées à partir de nombreuses techniques d’imagerie avancées, car aucune approche à elle seule ne peut générer des plans complets au niveau atomique des protéines infectieuses dans leur état naturel. Ils ont combiné la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), la cristallographie des rayons X et la diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) effectuées à la source de lumière avancée de Berkeley Lab, à la source de photons avancée d’Argonne et au réacteur à isotope à haut flux et à neutrons de spallation d’Oak Ridge. Source, respectivement, sur des échantillons de RTC produits par biosynthèse.
Malgré les obstacles extraordinaires à la réalisation de travaux scientifiques dans des conditions d’abri sur place, la collaboration a pu fonctionner en continu pendant plus de 15 mois, grâce au financement de la recherche et du soutien aux opérations des installations du Bureau des sciences du Laboratoire national de biotechnologie virtuelle du ministère de l’Énergie ( NVBL). Pendant ce temps, les scientifiques ont collecté des données détaillées sur les protéines accessoires clés du RTC et leurs interactions avec l’ARN. Tous leurs résultats ont été téléchargés dans la banque de données de protéines en accès libre avant la publication de l’article de journal.
Parmi les nombreuses découvertes structurelles qui aideront à la conception de médicaments, une découverte notable est que l’assemblage des sous-unités RTC est incroyablement précis. S’appuyant une fois de plus sur une métaphore mécanique, les scientifiques comparent le processus d’assemblage à l’assemblage d’une machine à ressort. Vous ne pouvez pas mettre un ressort en place lorsque le reste de la machine est déjà en place, vous devez comprimer et placer le ressort à une étape spécifique de l’assemblage ou l’ensemble du dispositif est dysfonctionnel. De même, les RTC Nsps ne peuvent pas se mettre en place dans un ordre aléatoire ou chaotique ; ils doivent suivre un ordre précis d’opérations.
Ils ont également identifié comment l’un des Nsps reconnaît spécifiquement les molécules d’ARN sur lesquelles il agit et comment il coupe les longs brins d’ARN copié à leur longueur correcte.
« Avoir les vaccins est certainement énorme. Cependant, pourquoi sommes-nous satisfaits de cette seule voie de défense ? » dit Hura. Joachimiak a ajouté : « Il s’agissait d’une étude d’enquête, et elle a identifié de nombreuses directions que nous et d’autres devrions poursuivre très profondément ; pour lutter contre ce virus, nous aurons besoin de plusieurs moyens de bloquer sa prolifération. »
« La combinaison d’informations provenant de différentes techniques structurelles et de calculs sera la clé pour atteindre cet objectif », a déclaré O’Neill.
En raison de la similitude des protéines RTC entre les souches virales, l’équipe pense que tout médicament développé pour bloquer l’activité RTC pourrait fonctionner pour plusieurs infections virales en plus de toutes les variantes de COVID-19.
En repensant au début de leur voyage de recherche, les scientifiques s’émerveillent du bon moment. Lorsque nous avons commencé à parler, a déclaré Hura, « nous n’avions aucune idée que cette épidémie deviendrait bientôt une pandémie qui changerait une génération ».
