Nouvelles idées sur la dynamique de la protéine Spike du SARS-CoV-2

Les coronavirus, y compris le SARS-CoV-2, entrent dans les cellules hôtes par un moyen spécifique. La façon dont le SARS-CoV-2 pénètre dans les cellules est encore à l'étude. Le processus commence quand une partie du virus appelée protéine de pointe se connecte à un récepteur sur la cellule hôte appelé ACE2. La protéine de pointe a une partie connue comme le domaine de liaison au récepteur (RBD). Ce RBD peut changer de forme, étant soit ouvert, soit fermé. Il ne peut se connecter à l'ACE2 que lorsqu'il est dans la forme ouverte. Lorsque le RBD est fermé, il ne peut pas se lier. En plus, il y a des régions sur le RBD où des anticorps peuvent se fixer, mais ces zones sont cachées quand le RBD est fermé. De nombreuses formes différentes du RBD ont été enregistrées dans diverses bases de données scientifiques.

#Structure de la Protéine de Pointe

La structure de la protéine de pointe peut être représentée visuellement de différentes manières. Par exemple, des illustrations peuvent montrer la protéine de pointe en trois sections, avec différentes couleurs représentant différentes parties. Par exemple, le RBD peut être en bleu, une autre partie en orange, et encore une autre en rouge. Le RBD peut aussi apparaître sous différentes formes selon son état : soit compact, soit étendu.

Dans des études antérieures, les chercheurs ont noté qu'à des Niveaux de pH très bas, le RBD reste dans une forme fermée. À des niveaux de pH légèrement plus élevés, le RBD peut être à la fois ouvert ou fermé, ou peut ne pas avoir de forme claire. Cela a amené les scientifiques à penser que la position du RBD pourrait dépendre de l'acidité autour de lui. Il a aussi été suggéré que cette position pourrait aider le virus à éviter le système immunitaire à l'intérieur de la cellule. D'autres scientifiques ont proposé qu'une structure de pointe complètement fermée à bas pH pourrait maintenir le virus stable lors de sa reproduction. Dans les deux idées, les chercheurs ont noté que la position du RBD pourrait être influencée par des changements dans la structure de la pointe, même dans des parties qui ne touchent pas directement le RBD.

#Région Proximale du Péptide de Fusion

La protéine de pointe a une section juste en dessous du RBD, connue sous le nom de domaine C-terminal 1 (CTD1). Juste en dessous du CTD1 se trouve une partie qui n'est pas bien définie dans de nombreuses études. Cette région floue se situe entre certains acides aminés et a une connexion entre deux acides aminés cystéines spécifiques. Cette partie est appelée la région proximale du peptide de fusion (FPPR). La FPPR a été clairement vue pour la première fois dans une des premières structures observées de la protéine de pointe. Dans cette structure, les acides aminés de la FPPR sont étroitement regroupés sous le CTD1 et le RBD dans une forme compacte.

Des études ultérieures ont montré un arrangement différent de la FPPR alors que le RBD était fermé, ainsi qu'un arrangement partiellement résolu lorsque le RBD était ouvert. La découverte initiale a suggéré qu'avoir une FPPR structurée pourrait aider à garder le RBD dans une position fermée. Bien que le RBD et la FPPR ne se touchent pas directement, des changements dans le RBD peuvent entraîner des clashes avec la FPPR compacte. Quand les chercheurs ont observé à la fois des formes FPPR compactes et étendues sous des RBD fermés, ils ont suggéré que la forme de la FPPR pourrait affecter la capacité du RBD à s'ouvrir. Une FPPR compacte pourrait aider à garder le RBD fermé, tandis qu'une FPPR étendue le permettrait de s'ouvrir.

La FPPR et les régions voisines contiennent de nombreux acides aminés acides, et une mutation spécifique est devenue courante dans le virus. Ces groupes acides peuvent s'influencer mutuellement, ce qui pourrait changer leur réactivité en fonction de l'acidité de l'environnement. Certaines recherches suggèrent que la forme de la FPPR et l'acidité pourraient être liées. Une étude a remarqué qu'à des niveaux de pH bas, une FPPR compacte était présente, tandis qu'à un pH légèrement plus élevé, seule la forme étendue a été trouvée. Cela a conduit à l’idée que la FPPR pourrait agir comme un interrupteur qui change de forme en fonction de l'acidité.

Lorsque la protéine de pointe est exposée à des conditions acides, il semble qu'elle subisse des changements. Des études ont montré qu'exposer la protéine de pointe à des pH plus bas pourrait aider à restaurer sa forme originale après qu'elle ait été changée par des conditions de stockage. Une autre étude a trouvé qu'après avoir gardé une pointe stabilisée à pH neutre pendant un certain temps, certaines parties ont commencé à se déplacer, mais une exposition à un pH plus bas a aidé à récupérer sa forme repliée.

#Objectif de l'Étude Actuelle

Dans la recherche actuelle, les scientifiques voulaient étudier davantage si la FPPR agit comme un interrupteur qui répond aux niveaux de pH. Ils ont examiné des structures de la protéine de pointe provenant de différentes expériences et ont utilisé des simulations avancées.

L'analyse a impliqué d'examiner les positions du RBD, les formes de la FPPR et les niveaux de pH rapportés dans diverses études. Ils ont trouvé que les deux formes de la FPPR apparaissaient dans des structures de pointe à une large gamme de niveaux de pH. Les deux formes ont également été trouvées avec des RBD ouverts ou fermés, et parfois les deux formes apparaissaient dans la même structure. Ce manque de corrélation claire entre la forme de la FPPR et soit le pH, soit la position du RBD a également été soutenu par des données de simulation, qui indiquaient que le pH influençait largement la protonation de certains résidus dans la FPPR.

#Analyse des Structures

Les chercheurs ont commencé par extraire des données sur les formes de la FPPR, en se concentrant sur des structures où toutes les parties de la FPPR étaient enregistrées. Ils ont organisé les structures en différents clusters basés sur des similitudes. Ils ont trouvé cinq clusters principaux basés sur les formes de la FPPR. Le plus grand cluster contenait de nombreuses FPPR, toutes ressemblant à une forme compacte, tandis qu'un autre cluster présentait des FPPR qui avaient une forme étendue.

En regardant la relation entre la FPPR et la position du RBD, il a été observé que la plupart des structures avaient la FPPR sous un RBD fermé. Parmi celles-ci, la plupart avaient une FPPR compacte, mais certaines montraient une forme étendue. Fait intéressant, quelques structures montraient une FPPR compacte sous des RBD ouverts, suggérant que des formes compactes peuvent être présentes même lorsque le RBD est ouvert, soulevant des questions sur la véritable capacité de la FPPR à verrouiller le RBD en place.

La prochaine étape s'est concentrée sur la relation entre les formes de la FPPR et les niveaux de pH des expériences. La plupart des structures rapportaient un pH neutre, mais un plus petit nombre avaient été résolues à des niveaux de pH plus bas. Les deux principaux clusters de formes de la FPPR apparaissaient sur tout le spectre de pH. Dans certains cas, des formes FPPR compactes et étendues ont été trouvées dans la même structure de pointe, même lorsque les RBD étaient dans la même position ouverte ou fermée.

Cette analyse suggère qu'il n'y a pas de lien fort entre la forme de la FPPR et le pH ou la position du RBD. Les formes de la FPPR peuvent exister dans des conditions acides et neutres, parfois dans la même structure. Cependant, la rareté des structures déterminées à des niveaux de pH plus bas rendait difficile de tirer des conclusions fermes.

#Calculs de Valeurs de pKa

Pour mieux comprendre l'équilibre entre différentes Conformations, les chercheurs ont calculé les valeurs de pKa de certains acides aminés au sein de la FPPR. Si les valeurs de pKa diffèrent significativement entre les formes compacte et étendue, cela soutiendrait l'idée que les deux formes pourraient être influencées par le pH.

Certaines études antérieures avaient montré des différences dans les valeurs de pKa selon la forme de la FPPR. Cependant, ces calculs avaient été réalisés sur des structures statiques, qui pourraient ne pas capturer entièrement le comportement dynamique de la protéine de pointe. Les calculs effectués dans cette étude visaient à donner une image plus claire de la façon dont les valeurs de pKa pourraient changer en fonction de la forme de la FPPR et à les comparer à travers différentes structures.

#Simulations de Dynamiques Moléculaires

Les chercheurs ont décidé de mener des simulations de dynamiques moléculaires (MD) pour explorer davantage comment la FPPR se comporte dans un environnement dynamique. Les simulations MD permettent aux scientifiques de voir comment les protéines se déplacent et interagissent au fil du temps, fournissant un aperçu de leur flexibilité et des changements conformationnels potentiels.

Dans les simulations, deux systèmes ont été établis, représentant les formes FPPR compacte et étendue. L'objectif était d'observer comment la FPPR se conformait à différents niveaux de pH. Les chercheurs ont utilisé des techniques sophistiquées pour maintenir un pH stable tout au long des simulations. Cela leur a permis de voir comment la structure de la FPPR changeait en temps réel alors que le pH variait.

Bien qu'ils aient effectué de nombreuses simulations, aucune transition entre les formes FPPR compactes et étendues n'a été observée. Les simulations commençant avec la FPPR compacte sont restées stables, tandis que celles commençant avec la FPPR étendue n'ont montré aucune tendance à s'incliner vers une forme compacte. Cela suggère que la FPPR pourrait être bloquée dans une forme pendant longtemps, soulignant que la réorganisation significative prend beaucoup de temps.

Les chercheurs ont également examiné les courbes de titration pour les 13 chaînes latérales acides de la région FPPR. Les résultats initiaux ont montré que la plupart des acides aminés affichaient des valeurs de pKa similaires à travers les deux formes FPPR. Seuls quelques acides aminés ont montré des changements significatifs, mais dans l'ensemble, les motifs sont restés cohérents, indiquant que la protonation totale des chaînes latérales acides ne dépendait pas fortement de la forme de la FPPR.

#Compétition Forcée entre les Conformations de la FPPR

Pour voir si les deux formes de FPPR se favorisaient à différents niveaux de pH, les chercheurs ont conçu des simulations où les deux formes étaient présentes dès le départ. L'idée était de voir si l'une des conformations préférait dominer à des niveaux de pH spécifiques. Cependant, les résultats ont montré qu'aucune des formes n'avait de préférence claire pour un niveau de pH particulier.

Les résultats de ces expériences suggèrent que les conformations FPPR compacte et étendue ont des coûts énergétiques similaires aux niveaux de pH pertinents. Cela signifie qu'il est peu probable qu'une conformation soit favorisée par rapport à l'autre uniquement en fonction des changements de pH.

#Conclusion

En gros, l'analyse combinée des structures de pointe existantes et des nouvelles simulations de dynamiques moléculaires indique que la FPPR est peu susceptible d'agir comme un interrupteur sensible au pH qui contrôle la position du RBD dans la protéine de pointe du SARS-CoV-2. Les résultats n'ont révélé aucune forte dépendance de la forme de la FPPR au pH ou à la position du RBD. De plus, l'absence de transitions entre les formes de FPPR durant les simulations suggère un manque de changements conformationnels induits par le pH. Ces résultats remettent en question les suppositions antérieures concernant le rôle de la FPPR dans la régulation de l'entrée virale et indiquent que davantage de recherches sont nécessaires pour clarifier sa fonction.

La compréhension scientifique de la protéine de pointe et de sa dynamique reste un domaine en évolution, et la recherche continue est essentielle pour déchiffrer davantage ses complexités.