Différence harmonique du paysage énergétique du SRAS-CoV-2

Récemment Recherches actuelles en biologie structurale Dans l’étude, les chercheurs montrent que le paysage énergétique du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2) montre une variance conformationnelle significative.

Stady : Le paysage énergétique du SRAS-CoV-2 révèle une grande hétérogénéité harmonique. Crédit image : CROCOTHERIE / Shutterstock.com

Contexte

La microscopie cryo-électronique (cryo-EM) a été utilisée pour développer plusieurs modèles structurels de la protéine SARS-CoV-2 spike (S). Cependant, ces modèles et les cartes de potentiel électrostatique qui les accompagnent décrivent un ensemble inconnu de conformations résultant du paysage énergétique basal de la protéine S.

Semblable à d’autres protéines, certains mouvements conformationnels des SARS-CoV-2 Ss sont supposés être biophysiquement importants. Cependant, il ne peut pas être expliqué uniquement par des modèles statiques.

sur les études

Dans l’étude actuelle, les chercheurs ont fourni le profil énergétique de la protéine SARS-CoV-2 S glycosylée à l’aide d’images cryo-EM expérimentales. L’équipe a également découvert comment la barrière glycane était responsable de la stabilité conformationnelle observée à basse énergie.

Les chercheurs ont évalué le paysage énergétique de la protéine S dans un espace limité résultant de tirs cryo-EM expérimentaux. L’apprentissage automatique d’ingénierie (ManifoldEM) a été utilisé pour dériver les spectres des mouvements correspondants à partir d’images cryo-EM.

Les chercheurs ont ensuite reconstruit la densité 3D des conformations à basse énergie sur ce paysage dans la région d’altitude. Les informations de densité ont ensuite été interprétées en détail pour tous les atomes à l’aide de simulations de dynamique moléculaire (MD). Enfin, les auteurs présentent les conformations locales et globales de la protéine S en mettant l’accent sur la variation conformationnelle des principaux sites de liaison.

Résultats

Une large gamme de conformations isoénergétiques liées aux sites d’interaction du domaine de liaison au récepteur (RBD) au sein de la protéine SARS-CoV-2 S n’a pas été identifiée auparavant. La variance correspondante trouvée dans la modélisation actuelle, y compris 400 nanosecondes (ns) de simulation de cordes et 32 ​​nanosecondes de simulation de dynamique moléculaire élastique (MDFF), était beaucoup plus élevée que celle qui pourrait être obtenue avec 10 millisecondes (ms) de force brute MD.

Le profil d’énergie en forme de fer à cheval observé expérimentalement montre que le RBD simple et rigide n’était pas suffisant pour représenter les mouvements harmoniques complexes et multidimensionnels de la protéine SARS-CoV-2 S.

Les mouvements coordonnés du RBD ont des effets régionaux qui conduisent à une anisotropie conformationnelle significative liée aux structures holo ou apo séparément. Presque toutes les poches de liaison étudiées ici ont montré des preuves d’un processus de sélection conformationnelle, dans lequel certains sites avec une énergie minimale étaient plus ou moins favorables à la liaison.

Sur les six sites de liaison analysés, cinq, y compris ceux interagissant avec le récepteur de l’enzyme de conversion de l’angiotensine 2 (ACE2), deux anticorps distincts, l’acide linoléique (LA) et de petites protéines ont montré des correspondances variables entre des correspondances apo et holo bien établies. . Cela a également été signalé lors de la conformation globale S single RBD-up.

La transition d’apo à holo a été inspirée par le pré-équilibre harmonique. Seul le site de liaison AB-C135 est resté à l’état apo dans tous les motifs de réduction d’énergie libre testés, indiquant la nécessité d’un mécanisme d’ajustement induit pour l’amarrage de cet anticorps chez S.

Aux positions 51 à 59 dans la poche de liaison LA du RBD supérieur, le glycane N234 sur la chaîne A forme des liaisons hydrogène avec les résidus 388 (Asn) et 387 (Leu). Cette interaction maintient le site de liaison ouvert et entraîne des états super-ouverts pour les structures holo6ZB4/6ZB5 et apo6VXX RBD.

Cet événement explique la stabilité et l’instabilité de ces conformations inférieures associées au blindage des glycanes. Le glycane N165 a montré des énergies potentielles doubles similaires pour l’interaction dans le sens inverse des aiguilles d’une montre avec la chaîne RBD.

On pense que les régions avec une plus grande surface accessible au solvant (SASA) que celles de 6VSB sont plus sensibles à l’adhérence, ce qui peut avoir des effets thérapeutiques. Ainsi, étant donné la grande flexibilité conformationnelle des sites de liaison clés, l’incorporation d’une variété de conformations à faible énergie pourrait conduire à l’émergence de nouvelles approches pour le développement de médicaments.

conclusion

Les résultats de l’étude illustrent le paysage énergétique de la protéine S glycosylée du SRAS-CoV-2. De plus, les chercheurs ont révélé la diversité des conformations à faible énergie dans sa région à l’état ouvert, y compris celle du RBD-upstate, à l’aide d’images expérimentales cryo-EM . Le raffinement atomique obtenu a révélé des transferts moléculaires locaux et globaux qui n’étaient pas visibles dans le cryo-EM RBD-up typique.

L’étude actuelle a également montré un grand nombre d’ouvertures dans les conformations globales de la zone RBD-upstate qui n’ont pas été détectées par les analyses à modèle unique des cartes de densité. De plus, elle a révélé des correspondances qui coïncidaient avec les modèles signalés.

Dans l’ensemble, l’étude met en évidence le caractère élastique des macromolécules biologiques telles que le SARS-CoV-2 RBD en regardant au-delà des structures statiques qui ont été très adaptées aux cartes intermédiaires, ce qui peut avoir des conséquences pour les nouveaux médicaments. Cette modélisation standardisée révèle une correspondance du site de liaison RBD qui n’était pas évidente dans les structures apo-up publiées précédemment ou dans les simulations MD d’une microseconde.

Pris ensemble, l’étude actuelle fournit une méthodologie pour la recherche future sur la caractérisation des transitions SARS-CoV-2 RBD en aval les plus probables en retraitant les données cryoEM disponibles.