Dans des conditions physiologiques, la plupart des protéines sont enrobées de sucres complexes passant par N- et O-glycosylation, qui sont mobiles et dynamiques, influençant la façon dont les protéines interagissent avec d’autres molécules. La nature dynamique et la liberté de conformation des glycanes les rendent difficiles à modéliser dans des simulations informatiques, augmentant considérablement le temps de calcul requis par rapport aux protéines nues, nécessitant souvent des superordinateurs et un personnel hautement qualifié pour les configurer et les interpréter.
Dans un document de recherche récemment téléchargé sur le serveur de préimpression bioRxiv* par Gecht et al. (4 aoûte, 2021), une nouvelle méthode de représentation des conformères glycanes sur des structures protéiques statiques est explorée, nommée GlycoSHIELD.
Le code open source a été obtenu par les auteurs de GitHub et appliqué à la protéine de pointe SARS-CoV-2 non glycosylée pour comparaison avec les conformations de glycane obtenues par des approches plus intensives en calcul et avec des données expérimentales obtenues en laboratoire humide.
Comment fonctionne GlycoSHIELD ?
La plupart des interactions avec les glycanes sont non spécifiques et temporaires, en plus des domaines de protéines de liaison aux glycanes hautement spécifiques et spécialisés. De plus, la conformation du glycane change constamment en fonction des influences thermiques. Par conséquent, un degré important d’effort de calcul peut être économisé en ne simulant pas chaque glycane individuel, en simulant plutôt un sous-ensemble plus petit et en les greffant en place sur la surface de la protéine, en acceptant ou en rejetant la position en fonction de l’encombrement stérique causé par la protéine (exclusion stérique) .
Les glycanes sont capables d’influencer la conformation de la protéine à laquelle ils sont liés, et ainsi le groupe a d’abord utilisé la N-cadhérine. Cette glycoprotéine porte cinq domaines stables qui sont liés par des lieurs dépendant du calcium, dans lesquels en l’absence de calcium, les domaines sont significativement plus libres. Un modèle non glycosylé de la protéine a été préparé, avec une version traditionnellement glycosylée également obtenue pour comparaison avec le modèle ayant subi une glycosylation par GlycoSHIELD.
Une bibliothèque de 11 glycanes à haute fréquence a été générée et appliquée à l’aide de GlycoSHIELD. La protéine glycosylée finale était très similaire au modèle obtenu par simulation de dynamique moléculaire complète (MDS) en termes de protection de la surface de la protéine.
GlycoSHIELD génère des boucliers de glycane réalistes A) Aperçu du pipeline : l’utilisateur fournit une structure de protéine 3D avec des glycosites définis où les glycanes de la bibliothèque de conformères n’entrent pas en conflit avec la protéine sont greffés et exportés pour visualisation et analyse (GalNac : N-Acetylgalactosamine, GlcNac : N-Acétylglucosamine, Fuc : fucose, Man : mannose, Gal : galactose, SA : acide sialique). B) Structure du système modèle N-cadhérine EC4-EC5 avec quatre N-glycanes distincts comme indiqué sur chaque site de glycosylation (g1-g4). C) -D) Conformères de glycane générés par MDS complet (C) ou avec GlycoSHIELD (D) après alignement sur EC4-EC5. Notez la morphologie et l’envergure comparables des boucliers de glycane obtenus par les deux approches.
L’eau interagit avec les glycanes dans des conditions physiologiques, et le degré d’interaction entre les glycanes et le solvant peut être estimé par le nombre de liaisons hydrogène.
Un nombre similaire de liaisons hydrogène a été observé dans les simulations MDS et GlycoSHIELD, indiquant que la légère différence dans la protection des protéines notée était probablement due à une simulation de structure glycane imparfaite dans ces dernières, n’ayant pas la variété nécessaire de structure conformationnelle pour tenir compte de la flexibilité de la surface des protéines.
Le mouvement interne de la N-cadhérine était essentiellement inchangé par l’une ou l’autre forme de glycosylation, et le groupe conclut que GlycoSHIELD correspond aux estimations attendues de la protection des glycanes et de son influence sur la conformation des protéines à partir de méthodes de calcul plus sophistiquées.
Les glycanes sculptent la surface des récepteurs GABAA A) Structure d’un récepteur GABAA homopentamère humain (sous-unités bêta3, gris) illustré avec et sans patch de membrane plasmique (PM, ajouté pour la visualisation uniquement, rose) avec et sans boucliers de glycane reconstitué (GlcNac2-Man5 , bleu en A et B). B) Cartes thermiques 3D de la réduction de la surface accessible au solvant (SASA) par les glycanes pour différentes tailles de sonde. CD) Vues agrandies du site de liaison des benzodiazépines avec le ligand lié, BZ, montré en fuchsia (C) et le vestibule extracellulaire du pore du canal (lignes pointillées en D). En C et D, notez l’occlusion partielle du site de liaison du ligand et la fin du bouclier de glycane à l’ouverture du pore du canal, respectivement.
Glycosylation de la protéine de pointe du SRAS-CoV-2
Les auteurs ont ensuite appliqué GlycoSHIELD à la protéine de pointe SARS-CoV-2, qui a fait l’objet d’un examen minutieux depuis le début de la pandémie de COVID-19.
De nombreuses autres études ont montré que la glycosylation de la protéine de pointe joue un rôle important dans la manière dont elle interagit avec les anticorps et les récepteurs neutralisants, y compris le récepteur hôte cible ACE2, et une modélisation précise est donc essentielle. La protéine de pointe glycosylée obtenue à l’aide de GlycoSHIELD était à nouveau très représentative du bouclier protéique obtenu à l’aide des techniques MDS et a capturé comment les épitopes sont masqués.
Cent soixante conformères de glycane ont été utilisés dans ce cas, mappés sur la base la plus adaptée aux sites de glycosylation de la protéine de pointe. Les zones de moindre concordance entre les deux méthodes étaient autour des boucles du domaine de liaison au récepteur, attribuées au court temps de simulation utilisé, car des changements conformationnels importants peuvent se produire dans cette région. Il faut donc plus de temps pour s’équilibrer. Sur des structures protéiques stables, cependant, GylcanSHIELD a produit des boucliers de glycane très réalistes.
De plus, le groupe déclare que GlycanSHIELD peut prédire l’impact structurel de la glycosylation sur certaines protéines. Par exemple, la tige de la protéine de pointe SARS-CoV-2 est très flexible et se tient plus droite lorsqu’elle est glycosylée, comme le démontrent les méthodes cryo-EM et informatiques. Ayant subi une glycosylation par GlycanSHIELD, la tige s’est avérée être conformationnellement plus rigide, suggérant que GlycanSHIELD peut également être utilisé pour prédire les principales caractéristiques structurelles des protéines résultant de l’ajout de glycanes.
*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.
