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Aug 04, 2023

SARS

Communications Biology volume

Biologia delle comunicazioni volume 5, numero articolo: 1170 (2022) Citare questo articolo

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La glicoproteina trimerica (S), che sporge dall'involucro virale SARS-CoV-2, si lega all'ACE2 umano, avviato dal dominio di legame del recettore (RBD) di almeno un protomero che passa da un "giù" (chiuso) a un "su" " (aperto) stato. Qui, abbiamo utilizzato simulazioni di dinamica molecolare su larga scala e calcoli di campionamento a ombrello di scambio di repliche bidimensionali con più di mille finestre e un totale aggregato di 160 μs di simulazione per studiare questa transizione con e senza glicani. Troviamo che il picco glicosilato ha una barriera più alta all’apertura e favorisce anche energeticamente lo stato giù rispetto allo stato su. L'analisi del percorso di apertura della proteina S rivela che i glicani in N165 e N122 interferiscono con i legami idrogeno tra RBD e il dominio N-terminale nello stato alto, mentre i glicani in N165 e N343 possono stabilizzare sia lo stato basso che quello alto. Infine, stimiamo come cambia l'esposizione dell'epitopo per diversi anticorpi noti lungo il percorso di apertura. Troviamo che l'epitopo dell'anticorpo BD-368-2 è continuamente esposto, spiegando la sua elevata efficacia.

La pandemia COVID-19 causata dal coronavirus SARS-CoV-2 si è diffusa rapidamente in tutto il mondo con un impatto dannoso senza precedenti sulla salute e sulle economie globali1. Il rapido sviluppo di numerosi vaccini2, trattamenti con anticorpi monoclonali3 e terapie4 ha mitigato l’attuale epidemia virale. Tuttavia, la continua minaccia rappresentata dalle varianti, comprese le sottolinee Omicron5, ora dominanti, e la possibilità di future epidemie di coronavirus6 richiedono una comprensione approfondita del ciclo di vita virale, compresi il riconoscimento, il legame, l’infezione e la risposta immunitaria.

L’infezione da SARS-CoV-2 viene avviata dal riconoscimento e dal legame con il recettore dell’enzima 2 (ACE2) di conversione dell’angiotensina della cellula ospite7,8. Questo processo è mediato dalla proteina spike (S) di SARS-CoV-2, una glicoproteina di fusione omotrimerica di classe I che sporge dalla superficie del virione SARS-CoV-2. Il rilascio della sequenza della proteina S all'inizio del 2020, combinato con il precedente lavoro strutturale sui betacoronavirus correlati, ha portato alla rapida determinazione di strutture di costrutti di ectodomini di proteina S solubilizzati e stabilizzati pre-fusione9,10,11 nonché di picchi12 a lunghezza intera e virioni intatti13. Ciascun protomero è costituito dalle subunità S1 e S2 separate da un sito di clivaggio multibasico della furina. S1 contiene il dominio di legame del recettore (RBD) e media il riconoscimento della cellula ospite mentre S2 è costituito dal meccanismo di fusione della membrana necessario per l'ingresso virale7. La proteina S è un importante bersaglio antigenico con molteplici epitopi presi di mira dal sistema immunitario umano, tra cui RBD e il dominio N-terminale (NTD)14,15,16,17. Si suggerisce inoltre che l’RBD ricombinante sia un potenziale inibitore dell’ingresso contro SARS-CoV-218. Inoltre, la glicosilazione della proteina S aiuta a mascherare e proteggere il virus dalla risposta del sistema immunitario ospite19,20,21. La proteina S è caratterizzata da stati conformazionali verso il basso e verso l'alto, che si interconvertono transitoriamente tramite un movimento a cerniera esponendo il motivo di legame del recettore (RBM), che è composto da residui RBD da S438 a Q50622. L'RBM è sepolto nell'interfaccia interprotomero della proteina down S; pertanto, il legame con ACE2 si basa sull’interconversione stocastica tra gli stati giù e su.

Gli studi di microscopia crioelettronica (crio-EM) hanno rivelato informazioni strutturali dettagliate sia per gli stati conformazionali su che per quelli giù23. Tuttavia, relativamente pochi studi hanno esplorato le dinamiche di questi stati su/giù e l’interconversione tra di essi. Ad esempio, il FRET a molecola singola è stato utilizzato per dimostrare la natura stocastica delle transizioni della proteina S24, con tempi riportati dell'ordine dei millisecondi ai secondi. Da notare che successivi studi FRET su singole molecole rilevano una cinetica di transizione down-up alterata per le proteine ​​​​spike mutanti25. Le simulazioni di dinamica molecolare (MD) completano questi studi sperimentali fornendo le descrizioni a livello atomico degli stati intermedi tra il basso e l'alto necessari per caratterizzare la dinamica di apertura della proteina S. Le simulazioni MD hanno rivelato informazioni dettagliate sulla stabilità strutturale e sul ruolo della glicosilazione sia per gli stati verso il basso che verso l'alto, nonché per le interazioni tra residui e dettagli sul legame con ACE220,21,26,27,28,29. Sono stati segnalati percorsi di apertura determinati utilizzando MD guidato e MD mirato29,30,31. Inoltre, simulazioni estese che utilizzano tecniche di campionamento avanzate come il campionamento adattivo di ensemble pesato32 e amplificazione di fluttuazione di tratti specifici (FAST) combinato con Folding@home33 hanno fornito dettagli di percorsi multipli per l'apertura della proteina S. Inoltre, stanno cominciando ad emergere caratteristiche del panorama energetico di queste transizioni conformazionali necessarie per il legame e l’ingresso virale27,30,31,34, inclusa la combinazione di dati crio-EM con simulazioni MD per rivelare più sottopopolazioni sia per il Stati verso il basso e verso l'alto35,36.