Des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences rapportent la génération de nanocorps synthétiques puissants qui neutralisent sélectivement et efficacement le pseudovirus du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2).
Les pseudovirus sont des virus synthétiques utilisés pour injecter du matériel génétique, y compris de l'ADN et de l'ARN, avec des traits spécifiques et souhaités dans des cellules bactériennes et eucaryotes. Les pseudovirus sont étroitement liés aux virus dans leur structure et leur comportement, mais manquent de nombreuses caractéristiques présentées par de vrais virus, y compris la capacité de se répliquer.
Dianfan Li et ses collègues affirment que leur stratégie de sélection et de conception des nanocorps synthétiques (sybodies) pourrait être utile pour développer des thérapies pour lutter contre la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19) et des épidémies similaires, si elles devaient se produire à l'avenir.
«Notre travail présente une approche alternative pour générer des neutralisants contre les virus nouvellement apparus», écrit l'équipe.
Une version pré-imprimée du document est accessible sur le serveur bioRxiv *, tandis que l'article fait l'objet d'un examen par les pairs.
Sommaire
Les chercheurs tentent de comprendre les mécanismes d'infectiosité
Depuis l'apparition de l'épidémie de COVID-19 à Wuhan, en Chine, à la fin de l'année dernière, la pandémie a infecté plus de 7,48 millions de personnes et tué près de 420 000 personnes dans le monde.
La transmission rapide de l'agent causal du COVID-19 – SARS-CoV-2 – a incité des efforts urgents pour faire la lumière sur les mécanismes qui sous-tendent sa forte infectiosité.
Les chercheurs savent déjà que cela implique principalement une structure de surface virale appelée protéine Spike, qui est clivée par les protéases des cellules hôtes en deux sous-unités: S1 et S2.
La sous-unité S1 se lie au récepteur de surface de la cellule hôte – l'enzyme de conversion de l'angiotensine 2 (ACE2) – via son domaine de liaison au récepteur (RBD) et provoque un changement de conformation qui permet la fusion médiée par S2 au niveau de la membrane plasmique.
Ce rôle clé du RBD dans l'attachement viral en a fait une cible populaire pour les approches de neutralisation qui bloqueront sa capacité à se lier à l'ACE2.
Nanobodies et sybodies
Il a été démontré que des anticorps ou nanocorps à domaine unique dérivés du lama lient des antigènes ayant des affinités comparables à celles des anticorps conventionnels, tout en étant généralement plus stables à la chaleur, plus faciles à générer (peuvent être fabriqués dans des bactéries) et plus faciles à manipuler génétiquement que les anticorps conventionnels .
Récemment, trois bibliothèques de nanocorps synthétiques (sybodies) ont été conçues, à partir desquelles des anticorps d'affinité nanomolaire peuvent être rapidement sélectionnés et obtenus, en aussi peu que deux semaines.
«Ce rythme accéléré est plus attrayant dans les cas où l'on développe des anticorps contre des maladies nouvellement émergées et à propagation rapide comme Covid-19», ont déclaré Li et ses collègues. En outre, contrairement aux anticorps isolants des patients convalescents, la sélection dans les bibliothèques ne nécessite pas de procédures de biosécurité de haut niveau, ce qui la rend plus accessible à la communauté scientifique élargie.
Structure cristalline de deux complexes sybody-RBD. (A) La structure globale de SR4 (dessin animé rose) lié à RBD (surface verte) qui ressemble à une chaise haute à dossier court. La surface de reliure est surlignée en rouge. (B, C) Interactions entre SR4 et le RBD (vert) fournies par CDR1 (jaune), CDR2 (magenta) et CDR3 (cyan). Le résidu de charpente Tyr37 impliqué dans les interactions est illustré en soulignant l'italique. (D) La structure globale du complexe MR17-RBD. Le codage couleur est le même qu'en A. (E) Le chevauchement entre les surfaces interagissant avec SR4 et MR17. (F-H). Les interactions entre MR17 et le RBD (vert) ont contribué par CDR1 (jaune), CDR2 (magenta) et CDR3 (cyan). Les cadres Lys65 et Tyr60 ayant participé à la liaison sont représentés en italique sous-jacent. Les lignes pointillées indiquent une liaison H ou des ponts salins entre des atomes séparés par <4,0 Å. Les étiquettes des résidus de sybody sont de couleur noire et les étiquettes des résidus de RBD sont de couleur grise.
Génération de sybodies neutralisants uniques
Maintenant, Li et l'équipe ont produit des sybodies uniques pour neutraliser la protéine RBD de Spike (S) en sélectionnant des liants SARS-CoV-2 S-RBD dans trois bibliothèques sybody à haute diversité.
Huit «premiers arrivants» sélectionnés pour la première fois à l'aide d'un test ELISA ont en outre été sélectionnés à l'aide d'un test de chromatographie d'exclusion de taille par détecteur de fluorescence pour évaluer leur capacité à se lier à la RBD à de faibles concentrations.
Cela a généré neuf sybodies d'intérêt pour les études de cristallisation, ce qui a encore réduit la sélection à quatre candidats pour la caractérisation biochimique, à savoir SR4, MR3, MR4 et MR17.
Une interférométrie de bio-couche a ensuite été utilisée pour tester la capacité des sybodies à se lier au SARD-CoV-2 RBD, ce qui a montré que MR3 avait l'affinité la plus élevée.
Base moléculaire pour la neutralisation. (A) L'alignement de la structure SR4-RBD sur la structure ACE2-RBD (PDB ID 6M0J) (11) révèle que SR4 (bleu) lie RBD (rouge) au site de liaison ACE2 (rouge foncé). Le récepteur ACE2 est représenté comme une surface blanche. (B) L'alignement de la structure SR4-RBD sur la structure ACE2-RBD (PDB ID 6M0J) (11) révèle que MR17 lie le RBD au site de liaison ACE2. Le codage couleur est le même que dans A. (C, D) Alignement des SR4-RBD (C) et MR17-RBD (D) sur la conformation « up '' du RBD à partir de la structure cryo-EM de l'ensemble -protéine S de longueur (PDB ID 6VYB) (7). (E-H) Liaison compétitive pour le RBD entre sybody et ACE2. Un capteur recouvert de streptavidine a été saturé avec 1 μM de RBD biotinylé. Le capteur a ensuite été trempé dans 50 nM de sybody avec (rouge) ou sans 25 nM d'ACE2 (bleu) pour les tests d'interférométrie de bio-couche (BLI). À titre de contrôle, l'interaction ACE2-RBD a été surveillée à l'aide de capteurs sans incubation sybody (noir).
Les études de cristallisation ont réduit le nombre de candidats sybody à deux
Des études de cristallographie aux rayons X effectuées pour élucider la structure des complexes RBD-sybody candidats, ont éliminé MR4-RBD et MR3-RBD, ce qui signifie que l'accent a été déplacé sur SR4-RBD et MR17-RBD.
SR4 et MR17 se lient aux régions «siège» et «dossier» du RBD, mais ni l'un ni l'autre n'a induit de changements conformationnels du RBD, à l'exception du MR17 induisant un petit «flip» dans la région du dossier.
Étant donné que l'étude était conçue pour sélectionner des sybodies contre la RBD de la protéine S, les chercheurs ont en outre examiné les structures cristallines pour tester si les sybodies supprimaient l'infection virale en rivalisant avec l'ACE2 pour la liaison à la RBD.
« La superposition de la structure des complexes sybody-RBD au RBD-ACE2 a révélé qu'ils se lient tous les deux au RBD à l'interface où se lie le récepteur ACE2 », confirme l'équipe.
Une version mutante de MR17 a produit une efficacité de neutralisation remarquable
Une analyse plus approfondie des structures a également permis de concevoir une version améliorée du MR17.
Conception rationnelle d'un mutant sybody avec une affinité de liaison RBD accrue et une activité neutralisante plus élevée. (A) La structure globale et la vue agrandie de MR17 (dessin animé rose) en complexe avec le RBD (surface électrostatique). Lys99 sur CDR3 (atomes de carbone magenta) pousse vers une zone globalement chargée positivement (cercle cyan) qui est également adjacente à un patch hydrophobe (cercle rouge). (B) Lys99 de MR17 (magenta) est situé dans un patch hydrophobe. (C) Cinétique de liaison entre MR17-K99Y et le RBD. Le RBD biotinylé immobilisé sur un capteur revêtu de streptavidine a été titré avec différentes concentrations (nM) de MR17-K99Y comme indiqué. Les données ont été ajustées en utilisant le logiciel intégré Data Analysis 10.0 avec une stoechiométrie 1: 1. (D) Le test de neutralisation de MR17-K99Y (cercle fermé) en utilisant le pseudovirus SARS-CoV-2 montre une efficacité de neutralisation améliorée par rapport au type sauvage MR17 (cercle ouvert). Les données proviennent de trois expériences indépendantes. (E) La structure cristalline de MR17-K99Y montre que Tyr99 correspond au microenvironnement hydrophobe.
L'équipe a constaté que la capacité de neutralisation de MR17 était modeste et a cherché à l'améliorer en concevant 19 versions mutantes, basées sur la structure MR17-RBD. Cela a identifié une seule mutation appelée K99Y qui a augmenté l'affinité de liaison de 1,5 fois et l'efficacité de neutralisation de 24 fois, par rapport au MR17 de type sauvage.
« Nous avons généré de puissants nanocorps synthétiques qui neutralisent les pseudovirus SARS-CoV-2 de manière efficace et sélective », a déclaré Li et ses collègues, qui ajoutent que les résultats pourraient ouvrir la voie au développement de nanocorps thérapeutiques pour lutter contre le COVID-19.
«Nous pensons que la stratégie de sélection sera utile pour répondre rapidement à des crises similaires si elles se produisent à l'avenir», conclut l'équipe.
*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.
