La vaccination est le principal pilier de l'effort mondial pour contenir et finalement mettre fin à la pandémie actuelle de coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2). Bien que plusieurs vaccins efficaces aient été développés à une vitesse sans précédent, le nombre de programmes de vaccination échoués ou décevants illustre les défis liés à la mise en place d'une réponse immunitaire protectrice contre le SRAS-CoV-2. Les antigènes vaccinaux idéaux devraient diriger la réponse immunitaire vers la structure la plus vulnérable sur les surfaces du virion : la protéine de pointe virale dans la conformation de préfusion.

La protéine de pointe SARS-CoV-2 catalyse la fusion des virions avec les cellules hôtes d'une manière hautement coordonnée. La protéine est synthétisée sous la forme d'une chaîne polypeptidique unique qui est clivée protéolytiquement par une furine protéase en sous-unité 1 (S1) et sous-unité 2 (S2) pendant l'assemblage du virus. Le domaine de liaison au récepteur (RBD) dans S1 médie l'attachement à l'enzyme de conversion de l'angiotensine 2 (ACE2) qui est exprimée à la surface de la cellule hôte, tandis que S2 contient des éléments critiques nécessaires à la fusion. Les virions présentent des trimères de pointe fonctionnels dans une conformation de préfusion métastable (c'est-à-dire un état de longue durée qui n'a pas atteint le minimum d'énergie favorable). La liaison au récepteur ACE2 stabilise les RBD dans la configuration « haut » accessible aux récepteurs. Bien que le mécanisme moléculaire et l'ordre des événements au cours de la fusion SARS-CoV-2 n'aient pas été élucidés en détail, il est clair que la fusion nécessite une maturation protéolytique supplémentaire de S2 par des protéases de surface cellulaire ou endosomales, ainsi que la dissociation de la sous-unité S1. de S2. Après ces étapes, on pense que le peptide de fusion hydrophobe de S2 est inséré dans la membrane de la cellule hôte. Les changements structurels qui suivent permettent au trimérique S2 d'adopter une conformation à plus faible énergie qui met la membrane virale en contact étroit avec la membrane de la cellule hôte. Cela aboutit finalement à la fusion des deux membranes.

Figure 1. Figure 1. Stratégies pour stabiliser la conformation de préfusion de la protéine de pointe SARS-CoV-2. Les vaccins approuvés contre le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2) reposent sur la variante de pointe D614 d'origine et codent ou contiennent des protéines de pointe pleine longueur et non modifiées, qui sont susceptibles d'adopter la conformation postfusion même en l'absence d'angiotensine. l'enzyme de conversion 2 (Panneau A), ou des mutants de protéines de pointe qui stabilisent la conformation de préfusion dans une configuration vers le bas tous les domaines de liaison aux récepteurs (RBD) (Panneaux B et C). Ces mutants de pointe comprennent la pointe pleine longueur avec les mutations K986P et V987P (étiquetées « 2P ») (Panneau B) et la pointe pleine longueur 2P avec le site de clivage de la furine muté (R682S et R685G, étiquetés « site de la furine muté ») ( panneau C). La pointe G614 pleine longueur présente une conformation de préfusion stable qui peut adopter de manière réversible un tout-bas (tous les RBD à l'état bas), intermédiaire (un RBD dans un état intermédiaire) ou un seul (un RBD dans un état haut) configuration et constitue ainsi un antigène vaccinal prometteur (Panneau D).

Au cours de la durée de vie des virions du SRAS-CoV-2 et dans les préparations en laboratoire de la protéine de pointe trimérique, une fraction substantielle des protéines de pointe subit prématurément ces changements spontanément, en l'absence d'ACE2 et sans catalyser la fusion. Parce que ces étapes sont irréversibles, les protéines de pointe dans la conformation postfusion ne sont plus capables de catalyser la fusion, ce qui réduit l'infectivité. Il est important de noter que la protéine de pointe est la cible principale des anticorps neutralisants chez les personnes infectées ou vaccinées. La conformation préfusion de la protéine de pointe représente la cible la plus pertinente, car les anticorps ne peuvent interférer avec succès avec l'infection que s'ils empêchent la liaison aux cellules cibles ou empêchent la fusion elle-même. La plupart des conceptions de vaccins incluent donc des modifications des acides aminés dans la protéine de pointe. Par exemple, les substitutions avec la proline stabilisent les conformations de préfusion et modifient le site de clivage de la furine (Figure 1).1,2

Fin février 2020, une mutation ponctuelle dans la protéine de pointe SARS-CoV-2, la variante D614G, a été identifiée. La présence de cette mutation prédit la substitution de l'acide aminé aspartate en position 614 (D614) par la glycine (G614). Quelques mois plus tard, ce virus variant était devenu la forme dominante, ce qui suggère que le D614G confère au virus un avantage évolutif. Il est à noter que le G614 se trouve dans toutes les variantes actuelles préoccupantes. Des travaux antérieurs ont suggéré que le G614 permet au RBD de la protéine de pointe d'adopter plus facilement des configurations dans lesquelles l'un des RBD est à l'état haut - une configuration compatible avec la liaison ACE2.

Dans une étude récente, Zhang et al.4 ont rapporté la structure exacte des trimères de pointe contenant du D614 ou du G614. Dans la plupart des études précédentes, les chercheurs ont résolu les structures d'une version de pointe stabilisée et sécrétée  : le domaine transmembranaire a été remplacé par un domaine de trimérisation artificielle, et des mutations stabilisantes ont été introduites pour empêcher le clivage de la pointe et les changements de conformation (les mutations 2P2). Zhang et al. résolu les structures de la protéine de pointe non modifiée, y compris le domaine transmembranaire. Ils ont solubilisé la molécule à l'aide de détergents - sans doute, le plus proche peut se rapprocher de la structure native sans préserver la bicouche lipidique. La protéine D614 était moins stable, et une fraction substantielle des molécules a pris la conformation postfusion, avec S1 détaché de la pointe trimérique. En revanche, G614 a été principalement trouvé dans la conformation de préfusion avec pratiquement aucun signe d'activation prématurée. En conséquence, une plus grande fraction des protéines de pointe G614 à la surface des virions se trouve dans la conformation de préfusion, ce qui rend les particules virales plus infectieuses.

Pour comprendre l'origine moléculaire de cette stabilisation bénéfique, les auteurs ont comparé les détails structurels des deux variantes. Les trimères de pointe G614 ont été trouvés dans l'une des trois configurations suivantes  : tous les RBD à l'état bas, un RBD à l'état intermédiaire ou un RBD à l'état haut. Ces deux dernières configurations n'étaient pas fréquemment adoptées par la pointe D614, peut-être parce que les configurations RBD-up dans D614 rendaient la pointe plus susceptible de subir la transition complète vers la conformation post-fusion. Il est important de noter que l'acide aminé glycine relativement petit en position 614 a permis à une boucle contenant l'acide aminé 630 d'adopter une structure repliée qui s'insère dans une petite fente près de l'interface de S1 et S2. Cet élément structurel n'a pas été observé dans la structure D614 et contribue à la stabilisation de la conformation préfusion. En fournissant des interactions supplémentaires, la « boucle 630 » repliée empêchait la perte de S1 et maintenait plus généralement les trimères de pointe dans la conformation de préfusion compétente pour la fusion. Cette boucle doit se dérouler dans au moins deux des trois protomères de pointe pour exposer un RBD dans la configuration haute, une exigence pour la liaison ACE2. L'adoption de la conformation postfusion nécessite probablement le dépliement des trois 630 anses. Ainsi, des barrières cinétiques séparent les différentes configurations, prolongeant le temps d'échantillonnage des différentes conformations de préfusion et minimisant le risque de déclencher accidentellement les changements irréversibles qui conduisent à la conformation de postfusion.

Les variants du SRAS-CoV-2 contenant les mutations G614 sont également vulnérables à la neutralisation par les anticorps thérapeutiques monoclonaux du pic SARS-CoV-2 ou à la neutralisation par les sérums des patients après infection ou vaccination.5 La stabilisation prononcée de la conformation de préfusion du pic G614 sans RBD ou un RBD en position haute offre un avantage évolutif en raison de l'infectivité accrue des virions ; Zhang et al. ont fourni une explication moléculaire à ce phénomène. Le pic G614 serait un antigène redoutable pour les futurs vaccins, car la conversion prématurée à la conformation postfusion est limitée et parce qu'il est enclin à adopter la configuration appropriée à un RBD-up.