La structure de la protéine SARS-CoV-2 appelée 3a, telle que déterminée par cryoEM. Les chercheurs de l'UC Berkeley ont produit la structure la plus détaillée à ce jour de la protéine – un canal ionique – qui peut être une bonne cible pour les médicaments pour lutter contre les infections à coronavirus. (Image UC Berkeley avec l'aimable autorisation de David Kern)
Le virus SARS-CoV-2 contient un gène qui code pour une protéine étrange qui pourrait être une bonne cible pour les médicaments pour lutter contre le COVID-19 et éventuellement d'autres infections à coronavirus, selon une nouvelle étude de l'Université de Californie à Berkeley.
Lorsque le virus injecte son génome dans une cellule, le gène ORF3a est exprimé pour fabriquer une protéine qui se déplace à la surface de la cellule et ressemble à un canal ionique – un passage que toutes les cellules ont pour que les ions comme le calcium pénètrent et lorsqu'ils communiquent avec d'autres cellules.
Mais les chercheurs de l'UC Berkeley, qui ont commencé à étudier la structure de la protéine par microscopie électronique cryogénique (cryoEM) en janvier de l'année dernière, immédiatement après le début de la pandémie, ont découvert que la protéine ne ressemble en rien aux autres canaux ioniques connus de la science. D'une part, c'est un demi-canal - il ne perce la membrane cellulaire qu'à moitié. Il présente également un pli inhabituel que l'on ne voit pas dans les autres canaux ioniques.
Bien que personne ne sache pourquoi le virus porte un gène pour créer un canal ionique – et un canal ionique étrange, en plus – les chercheurs ont découvert qu'en éliminant le gène ORF3a dans le SRAS-CoV-2 et un gène ORF3a apparenté dans le virus original du SRAS, SARS-CoV-1, la gravité de la maladie est réduite, au moins dans les modèles animaux. Selon les chercheurs, cela en fait une bonne cible pour les médicaments visant à réduire la gravité des infections à coronavirus humain. Une structure cryoEM haute résolution publiée cette semaine par l'équipe de l'UC Berkeley fournit les informations clés nécessaires pour trouver de tels médicaments.
La protéine 3a du virus SARS-CoV-2 se double d'un dimère lorsqu'elle est intégrée dans une membrane cellulaire, servant de canal pour les ions calcium. (Image de l'UC Berkeley par David Kern)
« Il n'était pas clair dans quelle mesure cette protéine était conservée parmi les coronavirus, mais une fois que nous avons résolu la structure, nous pourrions voir si d'autres gènes dans d'autres coronavirus sont susceptibles d'adopter le même pli », a déclaré Stephen Brohawn, l'un des auteurs principaux. de l'étude et un professeur adjoint de l'UC Berkeley de biologie moléculaire et cellulaire. « Et il s'avère que dans tous les coronavirus qui circulent parmi les chauves-souris et peuvent infecter les humains, ces protéines 3a existent. Cela pourrait donc être une cible possible encore plus large que ce que nous pensions au début du projet. »
Brohawn et ses collègues de l'UC Berkeley ont déjà identifié un médicament qui bloque le canal ionique - bien qu'il bloque également d'autres canaux ioniques - et ont identifié des mutations dans le gène ORF3a qui modifient la fonction du canal.
"Cela montre, en principe, que l'on peut trouver des molécules qui bloquent cette activité", a déclaré Brohawn. "Maintenant, l'un des objectifs que nous avons est de cribler les petites molécules qui bloquent le canal et qui sont spécifiques pour bloquer 3a par rapport aux autres canaux ioniques."
Structures cryoEM haute résolution
Les résultats préliminaires de l'équipe ont été publiés sur le serveur de préimpression en libre accès bioRxiv en juin 2020, et les résultats finaux - avec une structure cryoEM à résolution beaucoup plus élevée pour la protéine 3a - ont été publiés hier dans la revue Nature Structural & Molecular Biology. Le document en ligne original a attiré l'attention de ceux qui utilisent des approches informatiques pour trouver des médicaments pour lutter contre le COVID-19, mais il a également aidé à améliorer un algorithme informatique - AlphaFold de Google DeepMind - qui prédit la structure 3D d'une protéine à partir de sa séquence d'acides aminés.
Après que les chercheurs de l'UC Berkeley aient publié leur structure cryoEM préliminaire sur bioRxiv l'année dernière, un adepte de Twitter a remarqué une image surprenante – un cochon dans un chapeau – intégrée dans la structure, du moins vue d'un point de vue.
Brohawn, qui est membre du Helen Wills Neuroscience Institute de l'UC Berkeley, utilise la cryoEM pour étudier les structures des canaux ioniques dans les neurones. Pour ce projet, il s'est associé au laboratoire de Diana Bautista, professeur de biologie moléculaire et cellulaire à l'UC Berkeley, qui utilise d'autres méthodes pour étudier les canaux ioniques, en particulier ceux impliqués dans les démangeaisons chroniques, la douleur et les maladies inflammatoires. Ensemble, les deux laboratoires ont fourni trois preuves différentes que la protéine 3a agit comme un canal ionique. Bien qu'ils aient démontré cela dans des membranes lipidiques artificielles appelées liposomes, ces membranes sont chimiquement similaires aux membranes des cellules, donc vraisemblablement les protéines fonctionnent également comme des canaux ioniques dans les cellules infectées par le coronavirus.
La structure étrange de la protéine 3a - en particulier, son pore aveugle, qui est totalement différent des canaux ioniques typiques qui contiennent un tunnel qui traverse complètement la membrane pour permettre un passage facile des ions à l'intérieur et à l'extérieur - suggère que les ions peuvent plutôt diffuser dans les rainures le long de la en dehors de la protéine.
Selon Brohawn, la protéine 3a est le plus petit canal protéique membranaire qui a été imagé par cryoEM, qui est rapidement devenu le meilleur moyen de déterminer la structure 3D des molécules, jusqu'au niveau des atomes individuels et des molécules d'eau qui les entourent. Brohawn continue de rechercher la protéine 3a et deux autres canaux ioniques potentiels – appelés E et 8a – dans le génome du SRAS-CoV-2, à la fois pour comprendre leur fonctionnement et pour trouver des médicaments potentiels pour les inactiver.
Bautista continue d'étudier comment le virus utilise ces canaux ioniques pour s'emparer des cellules épithéliales et des neurones humains et animaux. De nombreux virus interfèrent avec la signalisation du calcium dans les cellules, ce qui peut les aider à prendre le contrôle de la machinerie moléculaire des cellules et les forcer à faire des millions de copies du virus au lieu de l'entretien cellulaire quotidien.
"Nous pensions que la 3a était la plus peu étudiée et potentiellement la plus intéressante de ces protéines et quelque chose que nous pourrions probablement faire une brèche, si nous sautions dessus tout de suite", a déclaré Brohawn. "Nous étions en bonne position pour avancer rapidement sur ce point, et c'était vraiment excitant de le voir se mettre en place aussi vite."
Les co-auteurs de l'étude sont David Kern, Ben Sorum, Sonali Mali, Christopher Hoel, Savitha Sridharan, Jonathan Remis et Daniel Toso de l'UC Berkeley et Abhay Kotecha de Thermo Fisher Scientific aux Pays-Bas. Le travail a été financé en partie par un prix Fast Grants décerné par Emergent Ventures au Mercatus Center de l'Université George Mason.
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