Rôle des glycanes sur la protéine de pointe SARS-CoV-2 dans l’interaction avec les récepteurs humains

La protéine de pointe (S) du coronavirus 2 (SARS-CoV-2) du syndrome respiratoire aigu sévère se lie au récepteur hôte de l’enzyme de conversion de l’angiotensine 2 (ACE2). Cette liaison favorise la fusion membranaire du virus et provoque une infection de la cellule hôte. La protéine S est largement glycosylée, c’est-à-dire recouverte de glycanes ou de structures de chaîne de sucre. Les effets de cette glycosylation et leur rôle dans le comportement pathologique de la protéine S sont inconnus.

Une équipe de chercheurs, dirigée par le Dr Benjamin F. Mann, de Merck, aux États-Unis, a publié une nouvelle étude sur le serveur de préimpression bioRxiv*. Ils ont utilisé une approche biochimique pour contrôler le profil de glycosylation du domaine de liaison au récepteur de la protéine S (RBD) et pour analyser l’effet de différents modèles de glycosylation sur la liaison au récepteur.

Glycosylation de la protéine S RBD

La protéine S est fortement glycosylée et ces glycanes protègent environ 40 % de la surface de la protéine. La glycosylation est importante pour la pathobiologie virale. Il est nécessaire pour l’intégrité et l’infectiosité du virus. Les glycanes peuvent masquer efficacement les épitopes immunogènes viraux du système immunitaire de l’hôte.

Le virus SARS-CoV-2 peut camoufler ses épitopes avec des glycanes dérivés de l’hôte. Alors que la protéine S est fortement glycosylée, le RBD n’a que deux sites de glycosylation, ce qui le rend vulnérable à la reconnaissance immunitaire. Par conséquent, les chercheurs ont émis l’hypothèse que, outre le blindage des glycanes, ces glycanes RBD pourraient être impliqués dans les interactions protéine S-ACE2.

En raison des défis techniques liés au contrôle des structures des glycanes, la biochimie des glycanes est principalement étudiée à l’aide d’un in silico l’approche et les données expérimentales font défaut. Par conséquent, cette étude utilise une approche de glycoingénierie pour harmoniser les glycanes de la protéine S RBD en espèces de glycanes terminales contrôlées. En outre, il évalue également l’affinité de liaison entre le RBD modifié par glyco-ingénierie et l’ACE2 humaine.

Remodelage des glycanes RBD et interaction ACE2

Les chercheurs ont analysé les glycanes RBD de la protéine S par chromatographie de glycane et spectrométrie de masse ; remodelé le RBD par voie enzymatique à l’aide d’enzymes de glycoingénierie ; et mesuré l’affinité de liaison ACE2 par analyse d’affinité de liaison.

Glycosylation de la protéine SARS-CoV-2 S. (A) Les sites de glycosylation sont répartis dans les structures de la protéine S. Symboles étoiles

indiquent des sites de glycosylation conservés avec la protéine SARS-CoV S. NTD : domaine N-terminal ; RBD : domaine de liaison au récepteur ; FP : peptide de fusion ; HR : répétition heptadique ; TM : région transmembranaire ; CT : fusion de domaines cytoplasmiques. (B) Structure du complexe protéine S S1-ACE2 avec des sites de glycosylation RBD surlignés en rouge (Protein Data Bank (PDB) : 7a92). (C) chromatogramme HILIC des glycanes collectés à partir de la protéine S exprimée par HEK293 RBD utilisée dans cette étude. (D) Composition de la glycosylation de la protéine S RBD décrite en abondance relative de glycoforme(s) avec chaque propriété. A gauche : graphique représentatif du glycopattern RBD. En haut à droite : composition des classes de glycanes. En bas à droite : composition des espèces saccharidiques terminales. 56,5 % de la population de glycanes RBD contient au moins un acide sialique terminal ; 29,3 % de la population présente au moins un galactose terminal sans acide sialique ; 9,6% de la population se terminant par GlcNAc sans avoir de galactose et d’acide sialique.

Glycosylation de la protéine SARS-CoV-2 S. (A) Les sites de glycosylation sont répartis dans les structures de la protéine S. Symboles étoiles

indiquent des sites de glycosylation conservés avec la protéine SARS-CoV S. NTD : domaine N-terminal ; RBD : domaine de liaison au récepteur ; FP : peptide de fusion ; HR : répétition heptadique ; TM : région transmembranaire ; CT : fusion de domaines cytoplasmiques. (B) Structure du complexe protéine S S1-ACE2 avec des sites de glycosylation RBD surlignés en rouge (Protein Data Bank (PDB) : 7a92). (C) chromatogramme HILIC des glycanes collectés à partir de la protéine S exprimée par HEK293 RBD utilisée dans cette étude. (D) Composition de la glycosylation de la protéine S RBD décrite en abondance relative de glycoforme(s) avec chaque propriété. A gauche : graphique représentatif du glycopattern RBD. En haut à droite : composition des classes de glycanes. En bas à droite : composition des espèces saccharidiques terminales. 56,5 % de la population de glycanes RBD contient au moins un acide sialique terminal ; 29,3 % de la population présente au moins un galactose terminal sans acide sialique ; 9,6% de la population se terminant par GlcNAc sans avoir de galactose et d’acide sialique.

Rôle régulateur du RBD glycane

Différentes glycoformes peuvent avoir des effets régulateurs différents sur les interactions protéine-protéine. Tout d’abord, les chercheurs ont disséqué les glycoformes du RBD recombinant utilisé dans l’étude.

Ensuite, ils ont étudié l’interaction entre le RBD modifié par glyco-ingénierie et l’ACE2. Les glycanes se terminant par HexNAc, le mannose et le galactose ont une affinité de liaison à l’ACE2 améliorée par rapport au RBD natif. Ainsi, ces glycoformes peuvent faciliter les interactions RBD-ACE2.

Inversement, les glycanes se terminant par l’acide sialique ont une affinité de liaison plus faible à l’ACE2. Les glycoformes de surface ACE2 et sialylées sont tous deux chargés négativement et la répulsion électrostatique peut déstabiliser les interactions RBD-ACE2.

De plus, le fucose dans les glycanes RBD n’a aucun effet sur l’affinité de liaison à l’ACE2. Cela peut être dû au fait que le fucose est proche du squelette peptidique RBD et n’interagit pas avec l’ACE2.

ACE2 est également une protéine glycosylée et il est connu que les glycanes ACE2 interagissent avec les glycanes RBD et le squelette de la protéine RBD. L’élimination des glycanes RBD réduit l’affinité de liaison RBD-ACE2. L’élimination des glycanes ACE2 diminue considérablement l’affinité de liaison RBD-ACE2. Ainsi, les glycanes RBD peuvent interagir avec les glycanes ACE2 ou le squelette ACE2 pour stabiliser la liaison ACE2.

Les chercheurs ont également mesuré l’affinité de liaison d’un anticorps nommé S309 et des différents RBD modifiés par glyco-ingénierie. S309 est isolé d’un patient infecté par le SRAS-CoV, et il a une activité de neutralisation croisée robuste envers le SARS-CoV-2. S309 se lie à RBD à une interface différente de celle de ACE2. Les différents RBD modifiés par glyco-ingénierie se lient à S309 avec des affinités similaires suggérant que l’interaction RBD-S309 peut dépendre de l’épitope d’acides aminés du RBD.

Les chercheurs ont en outre sondé la liaison ACE2 avec RBD lié à S309. ACE2 se lie avec des affinités similaires à différents RBD modifiés par glyco-ingénierie liés à S309. Ainsi, S309 neutralise les effets régulateurs des glycanes RBD sur la liaison RBD-ACE2.

Faire progresser la glycobiologie et les stratégies thérapeutiques

En raison de l’évolution rapide du SRAS-CoV-2 et de la demande de thérapies efficaces, il est essentiel de comprendre la pathobiologie virale.

Les glycanes confèrent des propriétés structurelles et fonctionnelles à une protéine. La protéine SARS-CoV-2 S est fortement glycosylée, à l’exception du RBD, qui n’a que deux sites de glycosylation. Ces glycanes RBD sont proches de l’interface de liaison de l’ACE2 et leur étude a permis de mieux comprendre le mécanisme d’infection.

Les glycanes RBD chargés de manière neutre peuvent stabiliser la liaison ACE2, tandis que les acides sialiques chargés négativement déstabilisent la liaison ACE2.

Les enquêteurs suggèrent que les stratégies de régulation de la sialylation RBD à l’aide de médicaments valent la peine d’être étudiées pour le traitement du SRAS-CoV-2.

S309 neutralise les effets régulateurs des glycanes RBD et empêche la liaison à l’ACE2. Étant donné que les sites de glycosylation RBD sont conservés dans toutes les variantes, les chercheurs proposent que les glycanes peuvent aider à établir de nouvelles stratégies pour faire face à la menace des variantes virales émergentes. Une implication importante de l’étude est qu’elle démontre la possibilité d’étudier biochimiquement différentes glycoformes de protéines. Cette approche de glycoingénierie peut faire progresser nos connaissances dans le domaine de la glycobiologie.