Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) ont publié le premier modèle détaillé au niveau atomique de la protéine « enveloppe » du SRAS-CoV-2 liée à une protéine humaine essentielle au maintien de la muqueuse des poumons. Le modèle montrant comment les deux protéines interagissent, qui vient d'être publié dans la revue Nature Communications, aide à expliquer comment le virus pourrait causer des dommages pulmonaires importants et s'échapper des poumons pour infecter d'autres organes chez des patients COVID-19 particulièrement vulnérables. Les résultats peuvent accélérer la recherche de médicaments pour bloquer les effets les plus graves de la maladie.
"En obtenant des détails au niveau atomique des interactions protéiques, nous pouvons expliquer pourquoi les dommages se produisent et rechercher des inhibiteurs qui peuvent spécifiquement bloquer ces interactions", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Qun Liu, biologiste structural au Brookhaven Lab. "Si nous pouvons trouver des inhibiteurs, le virus ne causera pas autant de dégâts. Cela pourrait donner aux personnes dont la santé est compromise une bien meilleure chance pour leur système immunitaire de combattre le virus avec succès."
Les scientifiques ont découvert les détails et développé le modèle moléculaire à l'aide de l'un des nouveaux microscopes cryoélectroniques du laboratoire de Brookhaven Lab pour la structure biomoléculaire (LBMS), une nouvelle installation de recherche construite avec un financement de l'État de New York adjacent à la source nationale de lumière synchrotron II de Brookhaven (NSLS -II).
"LBMS a ouvert l'été dernier plus tôt que prévu en raison de son importance dans la bataille contre COVID-19", a déclaré Sean McSweeney, directeur de LBMS et co-auteur de l'article. « LBMS et NSLS-II offrent des techniques d'imagerie des protéines complémentaires et les deux jouent un rôle important dans le déchiffrement des détails des protéines impliquées dans COVID-19. Il s'agit du premier article publié sur la base des résultats de la nouvelle installation. »
Liguo Wang, directeur des opérations scientifiques du LBMS et autre coauteur de l'article, a expliqué que « la microscopie cryoélectronique (cryo-EM) est particulièrement utile pour étudier les protéines membranaires et les complexes protéiques dynamiques, qui peuvent être difficiles à cristalliser pour la cristallographie des protéines, un autre technique courante pour étudier les structures des protéines. Avec cette technique, nous avons créé une carte en 3D à partir de laquelle nous avons pu voir comment les composants protéiques individuels s'assemblent. "
"Sans cryo-EM, nous n'aurions pas pu obtenir une structure pour capturer les interactions dynamiques entre ces protéines", a déclaré Liu.
Déclenchement d'une perturbation pulmonaire
La protéine d'enveloppe du SRAS-CoV-2 (E), qui se trouve sur la membrane externe du virus aux côtés de la désormais célèbre protéine de pointe du coronavirus, aide à assembler de nouvelles particules virales à l'intérieur des cellules infectées. Des études publiées au début de la pandémie de COVID-19 ont montré qu'il joue également un rôle crucial dans le détournement de protéines humaines pour faciliter la libération et la transmission du virus. Les scientifiques émettent l'hypothèse qu'il le fait en se liant aux protéines de jonction cellulaire humaines, les éloignant de leur travail habituel consistant à maintenir les jonctions entre les cellules pulmonaires étroitement scellées.
"Cette interaction peut être bonne pour le virus et très mauvaise pour les humains, en particulier les patients âgés atteints de COVID-19 et ceux qui ont des problèmes de santé préexistants", a déclaré Liu.
Lorsque les jonctions des cellules pulmonaires sont perturbées, les cellules immunitaires interviennent pour tenter de réparer les dommages, libérant de petites protéines appelées cytokines. Cette réponse immunitaire peut aggraver les choses en déclenchant une inflammation massive, provoquant une "tempête de cytokines" et un syndrome de détresse respiratoire aiguë qui s'ensuit.
De plus, comme les dommages affaiblissent les connexions cellule-cellule, les virus pourraient s'échapper plus facilement des poumons et traverser la circulation sanguine pour infecter d'autres organes, notamment le foie, les reins et les vaisseaux sanguins.
"Dans ce scénario, la plupart des dommages se produiraient chez les patients avec plus de virus et plus de protéines E produites", a déclaré Liu. Et cela pourrait devenir un cercle vicieux : plus de virus produisant plus de protéines E et plus de protéines de jonction cellulaire sont extraites, causant plus de dommages, plus de transmission et plus de virus à nouveau. De plus, tout dommage existant, tel que la cicatrisation des cellules pulmonaires, rendrait probablement plus difficile pour les patients COVID de se remettre des dommages.
"C'est pourquoi nous voulions étudier cette interaction - pour comprendre les détails au niveau atomique de la façon dont E interagit avec l'une de ces protéines humaines pour apprendre comment interrompre les interactions et réduire ou bloquer ces effets graves", a déclaré Liu.
Des taches aux gouttes de la carte au modèle
Les scientifiques ont obtenu des détails au niveau atomique de l'interaction entre E et une protéine humaine de jonction cellule-poumon appelée PALS1 en mélangeant les deux protéines ensemble, en congelant l'échantillon rapidement, puis en étudiant l'échantillon congelé avec le cryo-EM. Les microscopes électroniques utilisent des électrons à haute énergie pour interagir avec l'échantillon de la même manière que les microscopes optiques ordinaires utilisent des faisceaux de lumière. Mais les électrons permettent aux scientifiques de voir les choses à une échelle beaucoup plus petite en raison de leur longueur d'onde extrêmement courte (100 000 fois plus courte que celle de la lumière visible).
Les premières images ne ressemblaient à rien de plus que des taches. Mais les techniques de traitement d'images ont permis à l'équipe de sélectionner des taches qui étaient de véritables complexes des deux protéines.
"Nous avons utilisé une moyenne bidimensionnelle et avons commencé à voir certaines caractéristiques structurelles partagées entre ces particules. Nos images ont montré le complexe sous différentes orientations mais à une résolution assez faible", a déclaré Liu. « Ensuite, nous utilisons des outils de calcul et une infrastructure de calcul à la Computational Science Initiative de Brookhaven pour effectuer des reconstructions en trois dimensions. Cela nous donne un modèle 3D – une carte expérimentale de la structure. »
Avec une résolution globale de 3,65 angströms (la taille de quelques atomes seulement), la carte contenait suffisamment d'informations sur les caractéristiques uniques des acides aminés individuels qui composent les deux protéines pour que les scientifiques intègrent les structures connues de ces acides aminés dans la carte.
"Nous pouvons voir comment la chaîne d'acides aminés qui compose la protéine PALS1 se replie pour former trois composants structurels, ou domaines, et comment la chaîne d'acides aminés beaucoup plus petite qui compose la protéine E s'insère dans une poche hydrophobe entre deux de ces domaines », a déclaré Liu.
Le modèle fournit à la fois les détails structurels et une compréhension des forces intermoléculaires qui permettent aux protéines E au plus profond d'une cellule infectée d'arracher PALS1 de sa place à la limite externe de la cellule.
"Maintenant, nous pouvons expliquer comment les interactions tirent PALS1 de la jonction des cellules pulmonaires humaines et contribuent aux dommages", a déclaré Liu.
Implications pour les médicaments et l'évolution
"Cette structure fournit la base à nos collègues en sciences informatiques pour exécuter des études d'amarrage et des simulations de dynamique moléculaire pour rechercher des médicaments ou des molécules similaires à des médicaments qui pourraient bloquer l'interaction", a déclaré John Shanklin, président du département de biologie de Brookhaven Lab et co-auteur sur le papier. « Et s'ils identifient des pistes prometteuses, nous avons les capacités analytiques pour filtrer rapidement ces médicaments candidats afin d'identifier ceux qui pourraient être essentiels pour prévenir les conséquences graves de COVID-19. »
Comprendre la dynamique de cette interaction protéique aidera également les scientifiques à suivre l'évolution des virus comme le SRAS-CoV-2.
"Lorsque la protéine virale retire PALS1 de la jonction cellulaire, cela pourrait aider le virus à se propager plus facilement. Cela fournirait un avantage sélectif pour le virus. Tous les traits qui augmentent la survie, la propagation ou la libération du virus sont susceptibles d'être retenu », a déclaré Liu.
Plus le virus continue de circuler, plus il y a de chances que de nouveaux avantages évolutifs apparaissent.
"C'est une raison de plus pour laquelle il est si essentiel pour nous d'identifier et de mettre en œuvre des thérapies prometteuses", a déclaré Liu. « En plus de prévenir les infections les plus graves, les médicaments qui traitent efficacement le COVID-19 nous garderont en avance sur ces mutations. »
Cette recherche a été financée par le fonds COVID-19 Laboratory Directed Research and Development (LDRD) du Brookhaven National Laboratory. LBMS est pris en charge par le DOE Office of Science (BER), NSLS-II est une installation utilisateur du DOE Office of Science, soutenue par l'Office of Science (BES).
