Dans une récente étude publiée sur bioRxiv* serveur de pré-impression, les chercheurs ont illustré la structure cryo-microscopique électronique (cryo-EM) de la protéine membranaire (M) du coronavirus 2 (SRAS-CoV-2) du syndrome respiratoire aigu sévère dans des nanodisques lipidiques à une résolution de 3,5 angströms (Å).
Étude : Structure de la protéine SARS-CoV-2 M dans les nanodisques lipidiques. Crédit d’image : NIAID
Sommaire
Arrière plan
La protéine M est la plus abondante des quatre protéines structurelles du SARS-CoV-2, avec un rôle crucial dans l’assemblage viral. Il organise d’autres protéines structurelles du SRAS-CoV-2, à savoir les protéines de pointe (S), d’enveloppe (E) et de nucléocapside (N), et les dirige vers les sites de bourgeonnement viral. Par conséquent, il s’agit d’une cible des vaccins, des thérapeutiques et des anticorps neutralisants anti-SARS-CoV-2 contre la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19).
La protéine M interfère également avec la signalisation médiée par la protéine de signalisation antivirale mitochondriale (MAVS) et la production d’interféron (IFN) pour inhiber les réponses immunitaires innées de l’hôte. Pourtant, on sait peu de choses sur sa structure et la base moléculaire de ses fonctions, qui sont cruciales pour l’assemblage, l’emballage et la pathogenèse du SRAS-CoV-2.
Des études expérimentales ont révélé une homologie entre le SRAS-CoV-2 M et le cadre de lecture ouvert accessoire de la viroporine (ORF) 3a, indiquant une origine ancestrale partagée. Cependant, la manière dont ces protéines remplissent des rôles fonctionnels distincts dans le cycle de vie du SRAS-CoV-2 reste à déterminer.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont utilisé des nanodisques lipidiques pour déterminer la structure cryo-EM de la protéine SARS-CoV-2 M. Ils ont utilisé Spodoptera frugiperda (Sf9) avec une étiquette de protéine fluorescente verte (GFP) C-terminale clivable pour exprimer M pleine longueur et ensuite l’extraire en utilisant la chromatographie de filtration sur gel. Pour la formation de nanodisques, les chercheurs ont reconstitué la protéine M purifiée en protéine d’échafaudage membranaire 1E3D1 (MSP1E3D1) avec un mélange de 1,2-dioléoyl-sn-glycéro-3-phosphoéthanolamine (DOPE), 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn- glycéro-2-phosphosérine (POPS), lipides 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (POPC) dans un rapport massique de 2:1:1.
La formulation finale de nanodisque contenait M, MSP1E3D1 et des lipides dans un rapport molaire de 1:4:400 et a été utilisée pour déterminer la structure cryo-EM de la protéine M. Les chercheurs ont modélisé 189 des 222 acides aminés par sous-unité de protéine M dans la carte cryo-EM de novo, où les boucles reliant les hélices transmembranaires étaient les moins bien résolues. Il est fort probable que l’absence d’interactions stabilisatrices entre celles-ci et d’autres régions M ait permis à M d’adopter une gamme de conformations parmi les particules utilisées pour générer une carte cryo-EM.
Enfin, les chercheurs ont effectué des simulations de dynamique moléculaire (MD) de la protéine SARS-CoV-2 M. Ils ont utilisé le module GROMACS pour calculer l’écart quadratique moyen (RMSD), dont les valeurs indiquaient la similitude entre deux coordonnées atomiques superposées dans la protéine M. Ils ont également mesuré la fluctuation quadratique moyenne (RMSF) par résidu d’acide aminé, qui a quantifié les acides aminés dans une protéine qui a le plus contribué à un mouvement moléculaire spécifique.
Structure du SRAS-CoV-2 M dans les nanodisques lipidiques. ( a ) Carte cryo-EM de résolution 3,5 Å du SRAS-CoV-2 M dans les nanodisques MSP1E3D1 vus de la membrane. Une sous-unité est colorée en rose et la seconde sous-unité est colorée en bleu. La densité correspondant au nanodisque lipidique est montrée transparente. (b,c) Modèle de M vu (b) de la membrane en deux rotations et (c) du côté extracellulaire ou luménal. ( d ) Schéma de dessin animé d’un monomère M avec des éléments de structure secondaires indiqués.
Résultats de l’étude
La structure cryo-EM de la protéine SARS-CoV-2 M était un pli homodimérique, structurellement homologue au cation calcium (Ca2+)-canal perméable du SARS-CoV-2, protéine ORF3a. Chaque sous-unité contenait trois hélices transmembranaires et un domaine bêta-sandwich C-terminal, avec trois taches de charge positive dominant sa surface exposée au solvant.
Les protéines SARS-CoV-2 M et ORF3a sont structurellement homologues. (a) Superposition des structures M et ORF3a. M est coloré avec une sous-unité rose et la deuxième sous-unité bleue et ORF3a est blanc. (b) Superposition d’une seule sous-unité indiquant des réarrangements conformationnels majeurs. ( c ) Superposition de domaines transmembranaires et cytosoliques isolés de chaque protéine.
De plus, la protéine M était considérablement plus large et plus plate que l’ORF3a en raison de son emballage en hélice transmembranaire et d’une rotation autour de l’axe central du domaine cytosolique. Par conséquent, il a montré une interface dimère plus étroite plus proche du feuillet externe de la membrane de la cellule hôte et une association de sous-unités étroite. De plus, l’écart entre les sous-unités du domaine cytosolique de M formait une poche fermée bordée de résidus polaires. À l’inverse, l’ORF3a avait une association de sous-unité lâche qui créait une grande cavité ouverte qui servait de voie de conduction, l’ouvrant à la fois à la membrane de la cellule hôte et au cytoplasme.
Une poche polaire fermée entre les domaines cytosoliques dans M. (a) M montré comme un dessin animé et (b) une surface avec un volume de poche fermé calculé avec CASTp36 montré comme une surface bleue. La poche fermée dans M est formée entre les domaines cytosoliques et est scellée à la solution environnante par une protéine. (c,d) Identique à (a,b), mais pour SARS-CoV-2 ORF3a. La cavité dans ORF3a commence plus près de la bicouche lipidique, s’étend environ à mi-chemin à travers la membrane et est ouverte à la solution environnante et aux lipides par de multiples ouvertures
Les simulations MD ont montré que l’homodimère M était stable et non flexible pour adopter des changements conformationnels à grande échelle. Au lieu de cela, M a induit des changements morphologiques dans les membranes des cellules hôtes par le biais d’interactions avec d’autres protéines structurelles du SRAS-CoV-2, des groupes de tête lipidiques chargés négativement ou de l’acide ribonucléique viral (ARN).
Pour son interaction avec le domaine C-terminal de la protéine SARS-CoV-2 N, M a utilisé des patchs basiques à la surface de son domaine cytosolique. Les protéines SARS-CoV-2 N et M ont facilité ensemble la formation de particules pseudo-virales (VLP), où de fortes concentrations de domaines M C-terminaux ont recruté et organisé de nombreuses protéines N qui ont physiquement facilité le bourgeonnement viral.
Une surface cytosolique électropositive dans M. (a,b) Vues des faces larges et étroites de (a) M et (b) ORF3a colorées selon le potentiel de surface électrostatique du rouge (électronégatif, -10 kbTec-1) au bleu (électropositif , +10 koTec-1). ( c ) Vues de trois patchs de surface électropositifs sur des domaines cytosoliques M avec des résidus basiques marqués et représentés sous forme de bâtons avec des atomes d’azote bleus.
Conclusion
Pour résumer, le SARS-CoV-2 a subi de nombreuses mutations au cours des deux dernières années ; cependant, sa séquence de protéine M est restée inchangée. Son extrémité N-terminale, longue de seulement 20 acides aminés, est restée la plus immunogène chez les patients COVID-19. M module également l’immunité innée de l’hôte pour contribuer aux lésions pulmonaires courantes dans les cas graves de COVID-19. En effet, il s’agit d’une cible thérapeutique potentielle pour les variantes émergentes du SRAS-CoV-2 à l’avenir.
*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, guider la pratique clinique/les comportements liés à la santé, ou traités comme des informations établies.