Neutralisation du SRAS-CoV-2 via la protéine S

Une nouvelle étude publiée sur le serveur de préimpression bioRxiv * En mai 2020, un rapport sur une méthode pour bloquer le coronavirus du syndrome respiratoire aigu sévère 2 (SRAS-CoV-2) en détruisant sa principale protéine de pointe, qui est responsable de la fixation à la membrane de la cellule hôte.

Diagramme 3D de la structure du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2). Crédit d'image: Orpheus FX / Shutterstock

Le virus

Plusieurs épidémies zoonotiques ont affligé la population humaine au cours des dernières décennies, notamment le syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS) et le syndrome respiratoire du Moyen-Orient (MERS). La pandémie actuelle de COVID-19 a commencé en décembre 2019 et se présente comme une maladie pneumonique avec des symptômes initiaux ressemblant à un rhume, mais provoquant souvent une insuffisance respiratoire manifeste et aiguë. Le taux de mortalité global est encore inconnu, mais il est relativement élevé chez les adultes immunodéprimés et les personnes âgées.

SARS-CoV-2 est un bétacoronavirus avec un grand génome qui partage 88% d'identité avec le coronavirus de chauve-souris. Il a une protéine de pointe trimérique à la surface, qui a de nombreux résidus de glucose. Le pic ou la protéine S est responsable de l'entrée du virus dans la cellule hôte.

SARS-CoV-2 – Micrographie électronique à transmission de particules de virus SARS-CoV-2, isolée d'un patient. Image capturée et rehaussée de couleurs au NIAID Integrated Research Facility (IRF) à Fort Detrick, Maryland. Crédits: NIAID

La protéine Spike

La protéine S est une grande glycoprotéine qui couvre la membrane, synthétisée initialement comme une seule protéine. Il est ensuite soumis à une protéolyse par les protéases sur la cellule hôte, ce qui donne une sous-unité S1 et S2.

La protéine S est une cible clé pour le développement de vaccins et d'immunothérapie.

La protéine S se trouve d'abord dans un état de préfusion, où le domaine S1 cache la partie supérieure de la pointe du virus comme un manteau. L'extrémité de la protéine détient le domaine de liaison au récepteur (RBD), principalement à l'état «bas», sans accès au site de liaison, mais a un état flip-up où il présente le site de liaison du récepteur ACE2 sur le cellule hôte pendant une courte période.

Si le virus se lie au récepteur, le RBD est verrouillé en position «haute», ce qui rend le manteau S1 instable. Cela pourrait favoriser son passage de la forme de préfusion à la forme post-fusion.

Avec la fusion, un changement de conformation significatif se produit, et la sous-unité S2 pousse le domaine de fusion pour entrer en contact étroit avec la membrane de la cellule hôte. S1 est largué dans le processus.

Les scientifiques qui ont étudié la structure du RBD disent que les interactions polaires médient sa reconnaissance par le domaine peptidase (PD) du récepteur ACE2, à l'extérieur de la cellule.

Plusieurs anticorps monoclonaux humains se sont liés au RBD du SARS-CoV à des concentrations nanomolaires. Ils empêchent sa fixation au récepteur ACE2 et sa réplication virale in vitro.

Novel Coronavirus SARS-CoV-2: Cette image au microscope électronique à balayage montre le SARS-CoV-2 (objets en or ronds) émergeant de la surface des cellules cultivées en laboratoire. Le SRAS-CoV-2, également connu sous le nom de 2019-nCoV, est le virus qui cause COVID-19. Le virus montré a été isolé d'un patient aux États-Unis. Crédit: NIAID-RML

Entrez CR3022

Cependant, ceux-ci ne se sont pas révélés se lier au RBD SARS-CoV-2, même si les deux virus ont un récepteur commun. Les chercheurs se sont donc tournés vers une autre molécule, CR3022, qui est un anticorps monoclonal dirigé explicitement contre le SRAS-CoV mais qui réagit fortement de manière croisée avec le RBD du SARS-CoV-2, mais ne bloque pas la liaison de l'ACE2. Il n'est pas non plus mappé pour le moment car aucune mutation d'échappement n'a pu être générée pour lui. Une mutation naturelle a été détectée dans la partie qui lie ACE2.

Enfin, le CR3022 et un autre anticorps, le CR3014, agissent de manière additive pour entraîner une neutralisation très puissante du SRAS-CoV.

Un article très récent décrivant la structure du complexe RBD-CR3022 a rapporté que CR3022 ne neutralise pas le SRAS-CoV. Cependant, la présente étude génère une étude encore plus détaillée de la même structure, et signale en utilisant un mécanisme différent, qui a échappé à la détection par le rapport précédent, il en résulte une neutralisation du virus.

Les chercheurs ont utilisé des techniques de cryo-EM pour analyser la façon dont le CR3022 interagit avec le domaine extracellulaire complet de la protéine S et confirmer le mécanisme d'action.

Comment CR3022 lie-t-il le récepteur?

Les résultats montrent que la liaison CR3022-RBD est serrée et bloque de manière allostérique la liaison virale à la molécule ACE2 et inhibe donc l'entrée des cellules. En fait, en présence d'ACE2, la liaison RBD-CR3022 est ralentie, tandis qu'elle se désagrège plus rapidement. Inversement, la libération d'ACE2 à partir de RBD est accélérée en présence de CR3022.

Le CR3022 neutralise le SARS-CoV-2, comme le montre un essai de réduction de la plaque utilisant du sérum de convalescence MERS comme contrôle, à une concentration similaire à la concentration neutralisante du SARS-CoV dans des études antérieures.

Détermination de la structure de CR3022

La structure cristalline du complexe SARS-CoV-2-RBD-CR3033 a été déterminée par cristallisation lorsque deux formes de cristal ont été trouvées dans la même goutte. L'un était d'une richesse inattendue en teneur en solvant à environ 87%, et le réseau cristallin contenait de grands canaux de solvant qui permettaient une exposition constante au site de liaison ACE2.

En utilisant un nouvel algorithme pour optimiser les phases, une carte de haute qualité a été obtenue pour garantir que la structure a été déterminée de manière fiable.

Le deuxième cristal a diffracté à une résolution plus élevée, ce qui a aidé à comprendre les détails de l'interaction entre le RBD et le CR3022, pour générer une structure raffinée de cette forme cristalline.

Le site de liaison de CR3022 n'est pas facilement sujet à mutation et ne peut pas être lié par la protéine S avant la fusion. Cette molécule se lie à la surface du RBD à angle droit par rapport au site de liaison du récepteur, sans chevauchement entre les deux épitopes de liaison. Il a été rapporté que cette liaison ACE2 indépendante se produit avec un autre anticorps neutralisant le SRAS-CoV-2.

CR3022 ne bloque pas le RBD mais neutralise le virus

Cela suggère la valeur inhabituelle de CR3022 car il n'est pas compétitif avec le site récepteur ACE2, ce qui confère une résistance élevée à la fuite du virus. Cela peut signifier qu'il est d'une utilité immédiate. D'un autre côté, les virus développent rapidement une résistance aux anticorps compétitifs.

Dans l'état de pré-fusion de la protéine S, l'épitope CR3022 est tout à fait inaccessible, tout à fait ainsi lorsque le volet RBD est «en bas» et même en grande partie lorsqu'il est «en haut». Lorsque les anticorps anti-ACE2 bloquent le récepteur, ils bloquent l'état «up», provoquant l'instabilité de la forme de préfusion. La liaison du CR3022 le rend encore plus instable, le faisant cliver et se convertir à l'état post-fusion.

Le CR3022 déstabilise ainsi la conformation de la protéine de pointe avant la fusion, car il clive et rejette la sous-unité S1, provoquant l'inactivation du virus. Lorsque les deux sites sont bloqués indépendamment, les deux déclenchent le changement de conformation vers «up». Cela peut être la raison pour laquelle cette combinaison de liaison sur les deux sites est synergique.

Après incubation du mélange pendant 3 heures, aucune protéine S intacte n'a été trouvée, mais il y avait une gamme diversifiée d'oligomères qui font probablement partie de l'assemblage S1 dissocié. Dans le corps vivant, ces événements se produiront probablement beaucoup plus rapidement, car la température est plus élevée et les mutations introduites dans le cadre artificiel ici pour stabiliser la protéine S de préfusion seront absentes.

La raison pour laquelle l'étude antérieure n'a pas noté l'effet de neutralisation pourrait être due à l'incapacité d'incuber le virus lié aux anticorps avant que l'effet cytopathique ne se développe. Le même problème s'est produit avec des anticorps neutralisants contre le virus de la grippe qui n'ont pas bloqué le site récepteur sur la tête de la molécule d'hémagglutinine mais se sont liés à sa tige. Ceux-ci n'ont pas été détectés par le test OMS standard de neutralisation. Pourtant, la neutralisation a été observée lorsque les anticorps ont été laissés pour produire un effet cytopathique dans le test pendant la période d'incubation.

Applications et avantages du CR3022

La structure détaillée de l'épitope de liaison peut permettre de construire une autre version de CR3022 avec une affinité plus élevée ou de trouver une alternative monoclonale plus robuste pour le même site. De plus, une thérapie combinée comprenant des anticorps à la fois contre le RBD et le site de liaison CR3022 pourrait être synergique, comme cela a été décrit précédemment pour le virus du SRAS.

Ce type de liaison pourrait également empêcher les effets de renforcement dépendant des anticorps (ADE) car il favorise la conversion de la protéine S à l'état post-fusion avant la fixation au RBD. Un vaccin dirigé contre la RBD pourrait également réduire la gamme de réponses immunitaires et donc peut-être atténuer la pathologie immunitaire observée dans la maladie COVID-19.

*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.