Des changements structurels subtils dans la «protéase principale» du virus sur une plage de températures peuvent indiquer de nouvelles cibles pour les médicaments antiviraux

“Aucune étude précédente n’a examiné cette importante enzyme de coronavirus à la température physiologique (ou corporelle)”, a déclaré Daniel Keedy, biologiste structurel à la City University of New York (CUNY), qui a mené l’étude en collaboration avec des scientifiques du département américain. du laboratoire national de Brookhaven de l’énergie.

La plupart des structures à ce jour proviennent d’échantillons congelés, loin des températures auxquelles les molécules opèrent dans les cellules vivantes. “Si vous travaillez à température physiologique, vous devriez obtenir une image plus réaliste de ce qui se passe lors d’une infection réelle, car c’est là que la biologie se produit”, a déclaré Keedy.

De plus, a-t-il ajouté, l’équipe a utilisé la température comme outil. “En tournant ce bouton et en voyant comment la protéine réagit, nous pouvons en apprendre davantage sur sa mécanique – comment elle fonctionne physiquement.

Déchiffrer la structure de Mpro

La protéine en question est la principale protéase (Mpro) du SRAS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19. Comme toutes les protéases, c’est une enzyme qui coupe d’autres protéines. Dans de nombreuses infections virales, y compris COVID-19, les cellules infectées produisent initialement les protéines fonctionnelles d’un virus sous la forme d’une seule chaîne de protéines connectées. Les protéases coupent les morceaux afin que les protéines individuelles puissent se fabriquer et s’assembler en de nouvelles copies du virus. Trouver un médicament pour désactiver Mpro pourrait freiner le COVID-19.

Pour étudier la structure de l’enzyme, les chercheurs ont utilisé une technique appelée cristallographie aux rayons X au National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) de Brookhaven Lab. NSLS-II est une installation utilisateur du DOE Office of Science qui produit des faisceaux lumineux de rayons X. Faire briller ces rayons X sur un échantillon cristallisé d’une molécule biologique peut révéler l’arrangement tridimensionnel des atomes qui composent la molécule.

L’étude d’échantillons qui ne sont pas congelés peut être un défi.

“Plus la température est élevée, plus les rayons X risquent d’endommager le cristal”, a expliqué le co-auteur de l’étude, Babak Andi, qui exploite la ligne de lumière Frontier Macromolecular Crystallography (FMX) de NSLS-II.

“Pour minimiser les dommages, nous faisons tourner et déplaçons le cristal de manière linéaire au fur et à mesure qu’il se déplace à travers les rayons X. Cela distribue la dose de rayons X sur toute la longueur du cristal”, a-t-il déclaré.

Il a noté que la petite taille du faisceau de rayons X à NSLS-II permet de garder le faisceau concentré même sur la plus petite dimension du cristal – un bord mesurant 10 à 20 millionièmes de mètre ou moins – car il tourne.

“De plus, le détecteur FMX et d’autres systèmes fonctionnent si rapidement que nous pouvons collecter un ensemble de données complet en seulement 10 à 15 secondes par échantillon, avec une qualité suffisamment bonne pour résoudre une structure avant que des dommages importants aux rayons X ne se produisent.”

Du congelé au physiologique

Les scientifiques ont utilisé FMX pour collecter la toute première série de données cristallographiques Mpro à cinq températures différentes, allant de cryogénique (-280 degrés Fahrenheit) à ce que l’on appelle souvent la “température ambiante” en cristallographie aux rayons X (~ 39 ° F ) à physiologique (98°F). Ils ont également étudié le cristal à température ambiante sous une humidité élevée. Ensuite, ils ont introduit les données dans un type spécial de simulation informatique pour identifier de nombreux arrangements possibles au niveau atomique dans chaque ensemble de conditions.

Les résultats ont révélé des changements conformationnels subtils, y compris une flexibilité accrue dans certaines parties de la protéine à des températures plus élevées. L’équipe a également observé certaines caractéristiques propres à l’enzyme dans des conditions physiologiques.

La plupart des changements n’étaient pas directement dans le “site actif” de l’enzyme – la partie qui est directement impliquée dans la coupe d’autres protéines. Au lieu de cela, ils se trouvaient dans des parties de l’enzyme plus éloignées de cet emplacement. Mais les données suggèrent que ces sites distants pourraient affecter le site actif via une sorte de mécanisme de contrôle à distance courant dans les systèmes biologiques, a déclaré Keedy. La désactivation même de ces emplacements éloignés pourrait potentiellement bloquer la fonction de l’enzyme.

“Vous pouvez considérer Mpro comme une sorte de ruban plié, composé de deux moitiés identiques (formant des dimères) qui se lient de manière symétrique, un peu comme une poignée de main”, a déclaré Keedy. Le centre de cette région de poignée de main (l ‘«interface dimère») se lie au site actif via une région de boucle flexible de la protéine.

Comme l’a expliqué Keedy, les scientifiques ont découvert qu’à des températures plus élevées, “la prise de la” poignée de main “change – les deux composants réajustent un peu leur prise. Cela nous indique que, lorsque le virus nous infecte, il peut y avoir une sorte de de communication via cette boucle entre l’interface dimère et le site actif », a déclaré Keedy.

La voie vers la conception de médicaments

“Nous voyons des changements subtils dans la structure de cette étude, mais la conception des médicaments dépend de changements subtils – moins d’un milliardième de mètre ici, moins d’un milliardième de mètre là-bas”, a noté Keedy.

D’autres études ont montré que de petites molécules ressemblant à des médicaments boîte se lier à l’enzyme à certains endroits éloignés identifiés dans ce nouveau travail.

“Si nous pouvions perfectionner ces molécules, les optimiser, les élaborer, les modifier, nous pourrions potentiellement avoir un nouveau pied pour modifier la fonction de l’enzyme – pas au site actif, car pratiquement tous les antiviraux de cette protéine ciblent actuellement, mais sur un site différent via un mécanisme différent », a déclaré Keedy. “Nos découvertes ont inspiré l’exploration de cette idée.”

Le rôle de l’eau

L’exploration de l’enzyme à une humidité élevée imite également les conditions physiologiques dans les cellules remplies d’eau – et peut fournir des indices supplémentaires pour guider la conception des médicaments.

“Pour ces études, après avoir sélectionné le cristal que nous voulons étudier, nous avons mis un manchon spécial dessus pour l’empêcher de se dessécher”, a déclaré Babak Andi de NSLS-II. “Ensuite, lorsque nous plaçons l’échantillon dans la ligne de lumière pour la collecte de données par rayons X, nous retirons le manchon et soufflons un flux d’air continu à 99,5 % d’humidité sur le cristal pendant que nous collectons les données.”

Les résultats ont révélé des molécules d’eau spécifiques qui se lient de manière lâche à l’enzyme, dont une près du site actif, uniquement dans des conditions d’humidité élevée.

“Ces molécules d’eau vous donnent un indice où les inhibiteurs peuvent se lier”, a déclaré Andi.

Son groupe a étudié une gamme de molécules médicamenteuses potentielles qui semblent remplacer les molécules d’eau faiblement liées lorsqu’elles se lient près du site actif de Mpro. Ce travail est rapporté dans un article récemment publié dans Rapports scientifiques du portefeuille de revues Nature.

Les deux scientifiques étaient reconnaissants de l’esprit de collaboration de toute l’équipe, qui comprenait d’autres scientifiques de Brookhaven Lab et de CUNY, ainsi que de Diamond Light Source au Royaume-Uni.

“Il était très important de pouvoir avoir la collaboration à distance pour faire fonctionner ce projet, où nous avions des gens sur place à la ligne de lumière et des gens hors site qui pouvaient faire la modélisation informatique”, a déclaré Keedy. “C’est un exemple parmi tant d’autres pendant la pandémie de la communauté scientifique qui se rassemble.”

Cette recherche a été soutenue par le DOE Office of Science par le biais du National Virtual Biotechnology Laboratory (NVBL) avec un financement de la Coronavirus CARES Act et par le financement du programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire pour la recherche sur le COVID-19 au Brookhaven Lab. La ligne de lumière FMX (17-ID-2) du NSLS-II est financée par l’Office of Science (BES). Daniel Keedy est soutenu par les National Institutes of Health (NIH, R35 GM133769). Le Center for BioMolecular Structure (CBMS) du NSLS-II du Brookhaven Lab, qui comprend la ligne de lumière FMX, est financé par les National Institutes of Health, le National Institute of General Medical Sciences et par le DOE Office of Science (BER).