En utilisant des cartes de contact dynamiques et des différences d'énergie entre différentes conformations de la protéine de pointe (ou protéine S) du syndrome respiratoire aigu sévère du coronavirus 2 (SRAS-CoV-2), une équipe internationale de chercheurs a récemment publié un article sur le bioRxiv* serveur de pré-impression montrant les différentes conformations stables de la protéine de pointe. La détermination de sites cibles potentiels pour déstabiliser la protéine de pointe peut aider à développer des médicaments inhibant sa liaison aux cellules hôtes.
La propagation de la maladie à coronavirus 19 (COVID-19) pousse les chercheurs à comprendre comment l'agent pathogène du SRAS-CoV-2, qui cause la maladie, infecte et se réplique dans les cellules hôtes.
Il est établi que la protéine de pointe du virus est la clé de l'entrée virale dans la cellule hôte. Il se lie à l'enzyme de conversion de l'angiotensine humaine 2 (ACE2) et subit de nombreux changements conformationnels. La protéine change de la conformation du domaine de liaison au récepteur (RBD) de bas en haut, ce qui la prépare à se lier à ACE2, puis à une fusion ultérieure de la membrane virale avec la membrane de la cellule hôte.
Plusieurs études ont examiné comment les changements dans les conformations des protéines virales lui permettaient d'infecter si facilement les cellules hôtes. Des études informatiques montrent une corrélation entre le site de clivage de la furine polybasique et les résidus de surface dans la région RBD qui reconnaît ACE2, médiée par des interactions électrostatiques distantes de 10 nm. Dans la mutation virale dominante D614G, les résidus corrélés à la mutation sont localisés à 7–10 nm du SARS-CoV-2 RBD.
Il a été suggéré que ces changements pourraient augmenter sa transmissibilité et faciliter les étapes après la fusion avec les cellules hôtes. Cependant, étant donné que la région de la protéine de pointe est généralement instable sans la présence du récepteur ACE2, l'étude expérimentale de la conformation est difficile.
Une précédente étude de modélisation a montré la présence d'une asymétrie dynamique qui déclenche un changement de conformation, la conformation fermée étant l'état fondamental.
Représentation des différentes conformations de la RBD dans la protéine de pointe SARS-CoV-2. La reconnaissance cellulaire est initiée par la transition RBD de la conformation descendante à la conformation ascendante, puis la haute affinité déclenche la liaison entre le RBD dans la conformation ascendante et le récepteur ACE2 représenté en violet et vert respectivement. La séquence d'une chaîne de la protéine de pointe est indiquée en haut ainsi que les nombres de résidus pour plusieurs domaines protéiques. La barre montre l'échelle de longueur typique pour l'ensemble du système. La fusion de la membrane virale et cellulaire a lieu par des protéases de surface qui clivent chaque chaîne au niveau des sites polybasiques (étoiles jaunes) situés à l'interface des sous-unités S1 / S2.
Différentes conformations de RBD
En utilisant la modélisation informatique, les chercheurs montrent maintenant les corrélations entre les différentes conformations de la protéine de pointe et ses sous-unités, RBD, et le domaine N-terminal (NTD).
L'analyse de la carte de contact différentielle a révélé comment le changement du nombre de contacts entre différentes conformations affecte la stabilité d'une conformation.
Les auteurs ont constaté que bien que la conformation avec un RBD vers le haut et deux vers le bas ait moins de résidus déstabilisants que les deux conformations vers le haut et une vers le bas, le nombre de résidus de stabilisation était similaire pour les deux conformations. Le nombre de résidus déstabilisants pour une conformation RBD up et deux RBD up formant à partir de la conformation trois down est d'environ 3% et 15% du nombre total de résidus. Cela suggère que le passage à la conformation RBD up entraîne la déstabilisation d'un moins grand nombre de résidus.
En analysant les contacts à haute fréquence, les chercheurs ont trouvé 25 résidus de stabilisation dans la conformation vers le bas, faisant 83 contacts qui sont essentiels pour les 40 contacts établis dans le seul cas RBD up. De telles transitions se produisent par les réarrangements de certains résidus au bas du RBD. L'identification des résidus qui forment des contacts stabilisants est importante dans le développement de médicaments qui ciblent la liaison ou perturbent les protéines virales.
Une étude précédente a identifié un acide gras libre liant une poche hydrophobe qui verrouille la protéine de pointe dans la conformation fermée. Cela est possible car il y a peu de contacts natifs dans les deux RBD les plus proches. Les auteurs ont également trouvé des contacts supplémentaires entre la chaîne RBD en amont et le NTD, aidant à stabiliser la conformation. En revanche, il y avait peu d'interactions entre les résidus dans les deux chaînes RBD dans la conformation vers le bas.
Les panneaux supérieurs montrent les changements en termes de stabilité entre les états fermé (3down) et ouvert (1up2down). Le panneau (A) montre le cas de la RBD dans la chaîne B stabilisée par des domaines protéiques voisins tels que la RBD et la NTD de la chaîne C et A respectivement. Les 25 résidus stabilisants sont surlignés en vert et ils établissent plusieurs contacts natifs haute fréquence (NC) égaux à 83. Le panneau (B) montre le même ensemble de résidus du panneau (A) qui sont déstabilisés à l'état ouvert formant 40 contacts. Le panneau (C) montre la stabilisation due à 25 contacts entre tous les RBD à l'état fermé. La structure du LA (en cyan) a été superposée à nos résultats car il a été montré qu'elle verrouille l'état fermé en formant des contacts entre deux RBD adjacents. Le panneau (D) représente le RBD en conformation ascendante qui a été stabilisé par 19 contacts formés entre le NTD et deux autres RBD. Les positions de deux N-glycanes qui aident structurellement en faisant une interaction étendue avec le RBD dans la conformation ascendante ont été superposées à notre structure. Nous mettons en évidence les contacts résiduels responsables de la stabilisation par des lignes noires en pointillés.
Le ciblage des sites de déstabilisation peut inhiber la liaison virale
L'équipe a également déterminé le rôle des interactions électrostatiques dans la protéine de pointe en utilisant la méthode de Poisson-Boltzmann, en tenant compte des contributions de l'énergie de solvatation et des interactions de Coulomb.
Ils ont constaté que la position la plus favorable est lorsque tous les RBD sont en conformation vers le bas. La conformation avec un RBD vers le haut est la position ouverte la plus favorable, suivie de la conformation avec deux RBD vers le haut. Cette dernière conformation a une barrière énergétique beaucoup plus élevée par rapport au changement de la position fermée à la position RBD haute.
Les contacts haute fréquence entre la chaîne RBD et la chaîne NTD suggèrent qu'ils jouent un rôle lors du passage de l'état fermé à l'état ouvert. Cette transition se produit à un coût énergétique d'environ 10-15 kcal / mol en rompant les liaisons entre ces chaînes.
En l'absence d'ACE2, une grande quantité d'énergie est requise; environ 30 kcal / mol pour passer de la conformation fermée aux deux conformations RBD up. Cela suggère que la protéine de pointe est probablement dans la conformation RBD up avant l'interaction avec la cellule hôte.
Les informations sur les sites cibles potentiels pour déstabiliser la protéine de pointe pourraient être utilisées pour étudier les médicaments approuvés potentiels ou les dérivés à base de plantes qui peuvent inhiber les conformations de la protéine de pointe qui permettent la liaison à ACE2, écrivent les auteurs.
*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 être traités comme des informations établies.
