Dans l’année qui a suivi le début de la pandémie de maladie à coronavirus 2019 (COVID-19), il y a eu un énorme investissement dans la recherche sur le virus qui le cause, le coronavirus du syndrome respiratoire aigu sévère 2 (SRAS-CoV-2).
En tant que tel, de nombreuses études expérimentales ont eu lieu pour aider à démêler la structure et la biochimie de la variante dominante à l’échelle mondiale de ce virus, la souche D614G, ainsi que la façon dont cela affecte sa fonction.
Une nouvelle pré-impression sur le bioRxiv * Le serveur vise à développer «une vue unifiée et un modèle de travail cohérent avec les diverses données expérimentales». Les scientifiques ont utilisé une approche informatique pour intégrer les données disponibles, et ainsi explorer les mécanismes moléculaires de la mutation D614. Ils ont appliqué la modélisation atomistique de la protéine de pointe virale, la concevant comme un mécanisme de régulation allostérique.
Sommaire
La protéine de pointe
Le pic SARS-CoV-2 a une sous-unité C-terminale et N-terminale S1 et S2. Le SI médie l’attachement virus-récepteur, avec un domaine N-terminal (NTD) et le domaine de liaison au récepteur (RBD). Le RBD est métastable et subit continuellement des transformations conformationnelles spontanées, basculant entre les positions «vers le bas» et «vers le haut». Le pic ne peut se lier au récepteur que dans la conformation «up».
Le S2 assure la médiation de la fusion des cellules virales-hôtes. Il est hautement conservé et contient de nombreux peptides. Le S1 est un bouclier dynamique et protecteur du mécanisme de fusion.
Lors de la liaison virale au récepteur de l’enzyme de conversion de l’angiotensine hôte 2 (ACE2), la protéine de pointe subit un clivage à l’interface S1 / S2, et les deux sous-unités se dissocient. Cela déclenche une série de changements conformationnels qui interviennent dans la fusion des membranes virales et cellulaires.
Objectifs de l’étude
L’étude visait à simuler la structure des protéines de pointe du SRAS-CoV-2 natives et mutantes. À cette fin, les chercheurs ont utilisé des simulations à grande échelle, ainsi que des analyses de la stabilité des protéines et de la communication des fluctuations dynamiques, et une analyse communautaire en réseau.
La mutation D614G perturbe subtilement les mouvements collectifs
Auparavant, certains scientifiques expliquaient l’infectivité accrue du mutant D614G comme étant due à la dynamique conformationnelle modifiée du pic, la conformation ouverte étant favorisée – l’hypothèse de «l’ouverture». Cela permettrait au pic RBD d’entrer en contact avec le récepteur hôte ACE2.
Ce niveau d’altération n’a pas été observé dans la présente étude. L’utilisation de simulations CG-CABS suivies d’une reconstruction atomistique montre que la mutation D614G a une dynamique conformationnelle très similaire au type sauvage dans les états fermé et ouvert. L’effet de la mutation est donc très délicat, comprenant un grand nombre de petits changements localisés répartis dans toute la structure de la protéine. Ceux-ci affectent à la fois les interactions inter-protomères et intra-protomères, régulant préférentiellement certains mouvements collectifs en conformation fermée.
Un examen plus approfondi de la façon dont les mouvements collectifs et les réarrangements se produisent après la mutation D614G pourrait jeter plus de lumière sur la façon dont cela affecte l’infectivité.
D614G module la stabilité et la propension à la communication allostérique
Les chercheurs se sont également penchés sur la stabilité et les propensions à la communication des acides aminés à la fois dans le type sauvage et dans la protéine de pointe mutante du virus. Ils ont constaté que le site D614, ainsi que le site Q613, ancrent et incorpore des résidus majeurs dans des centres de régulation ou de charnière qui régulent les mouvements globaux des pointes ainsi que les changements allostériques dans la structure de la pointe à l’état fermé et ouvert.
Ces centres charnières sont les points chauds énergétiques, avec des contacts intra et inter-protomères se produisant à proximité de ces emplacements, principalement dans la sous-unité rigide S2. Le D614G provoque le plus grand changement d’énergie par rapport à d’autres substitutions similaires, avec stabilisation des conformations de pointes fermées et ouvertes.
La mutation stabilise le trimère du pic tout en réduisant l’excrétion prématurée du domaine S1 – l’hypothèse de «l’excrétion S1». Cela augmente le nombre de pics fonctionnels et l’infectivité du variant.
Le mutant D614G, cependant, perturbe les grappes de charnière et modifie les mouvements fonctionnels dans le trimère, ce qui peut augmenter la disposition des protomères de pointe à passer à la conformation ouverte. Ainsi, l’effet de stabilisation de cette mutation diffère dans les états fermé et ouvert. Cela peut aider à unifier les hypothèses d ‘«ouverture» et de «suppression de S1» expliquant l’effet de cette mutation.
Signalisation allostérique améliorée à l’état ouvert
L’analyse de la communauté en réseau des protéines de pointe du SRAS-CoV-2 démontre la capacité de cette mutation à augmenter le nombre de communautés stables en conformation ouverte, et de centres allostériques pour les interactions interdomaines S1-S2.
Leurs résultats montrent que la mutation est capable de stimuler la signalisation à longue portée du pic, en réorganisant les interactions allostériques à l’état fermé. Cela augmente la stabilité et la communication à l’interface S1 / S2, avec une meilleure signalisation allostérique entre les deux domaines à l’état ouvert.
Dans le même temps, la mutation restreint la mobilité S1, réduisant sa perte, tout en améliorant les avantages thermodynamiques de l’état ouvert. En conséquence, le RBD et le NTD sont potentiellement plus exposés au récepteur de l’hôte, ce qui favorise une infectivité accrue.
Cela prend en charge le rôle de la mutation dans la promotion de l’état ouvert en optimisant la signalisation allostérique dans cet état et en limitant l’excrétion de S1.
Analyse du hub de réseau des structures mutantes SARS-CoV-2 S-D614 et S-D614G. (A) L’évaluation quantitative du nombre de hubs uniques dans les formes fermées et ouvertes de SGSAS / D614 (indiquées dans les barres vertes), les formes fermées et ouvertes de S-GSAS / G614 (barres rouges) et SRRAR / G614 (barres bleues) ). La cartographie structurelle des communautés communes partagées par des états fermés et ouverts est projetée sur un seul protomère pour le S-GSAS / D614 à l’état fermé tout fermé (B) et S-GSAS / D614 à l’état ouvert (C). Les moyeux sont représentés par des sphères rouges. (D) Mappage structurel de l’unique sous la forme fermée de S-GSAS / G614 (pdb id 7KDK). (E) Cartographie structurelle des concentrateurs uniques pour le S-GSAS / G614 à l’état ouvert (pdb id 7KDL). Les moyeux sont représentés dans des sphères bleues. La cartographie est projetée sur un seul protomère représenté dans des rubans cyan.
Quelles sont les implications?
L’étude suggère la fonction de régulation allostérique de la mutation D614G, agissant à la fois sur les sites adjacents et distants. Les résultats montrent que le résidu D614 est celui qui commande les transitions du domaine de liaison au récepteur (RBD) de la protéine de pointe virale entre l’état fermé et l’état ouvert. La mutation D614G peut améliorer la stabilité des pics dans les formes ouvertes et fermées, mais elle permet à la forme ouverte d’être plus favorable sur le plan thermodynamique.
En conséquence, disent les chercheurs, cette mutation est associée à une réduction de l’excrétion du domaine S1 de la protéine de pointe. Cela entraîne à son tour le pouvoir infectieux plus élevé de cette souche.
Les résultats révèlent que la mutation D614G réduit l’excrétion de S1, affectant les interactions locales dans la protéine de pointe. L’effet principal continue d’être via ses effets allostériques sur la stabilité du pic et les communications au sein des réseaux de résidus protéiques.
Ce modèle de régulation allostérique pourrait aider à expliquer comment la mutation D614G entraîne ses effets. À l’avenir, cela pourrait aider à expliquer comment les mutations permettent une évasion immunitaire. Certaines études récentes montrent que la présence de D614G a un effet stimulant frappant sur les mutations dans les régions éloignées. Ces mutations entraînent à leur tour une fuite immunitaire.
La prise en compte des fonctions des protéines de brochet du SRAS-CoV-2 à travers le prisme d’une machine à régulation allostérique peut s’avérer utile pour découvrir des mécanismes fonctionnels et rationaliser le corpus croissant de diverses données expérimentales via des modèles allostériques sous-tendant les événements de signalisation.
Son large impact pourrait conduire à une amplification globale des effets d’autres mutations, expliquant son ascension vers la domination mondiale. Des études supplémentaires sur les centres de médiation de la protéine de pointe aideront à comprendre les mécanismes de l’infectivité virale ainsi qu’à identifier et développer des inhibiteurs appropriés, pour traiter efficacement cette infection.
*Avis important
bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas examinés 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.
