Capire la Proteina Spike del SARS-CoV-2
Uno sguardo più da vicino al ruolo della proteina spike nell'infezione da COVID-19.
Sabrina Lusvarghi, Russell Vassell, Brittany Williams, Haseebullah Baha, Sabari Nath Neerukonda, Carol D. Weiss
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Indice
- La Struttura della Proteina Spike
- Come Funziona la Proteina Spike
- Il Ruolo dei Peptidi nello Studio della Proteina Spike
- Diversi Tipi di Spike e le Loro Varianti
- Potenza dei Peptidi e Vie di Infezione
- Catturare Intermedi di Spike con Peptidi
- Impatto degli Anticorpi sui Cambiamenti Conformazionali della Proteina Spike
- La Complessità della Fusione Mediata dalle Spike
- Esplorare il Futuro dei Trattamenti e dei Vaccini
- Conclusione
- Fonte originale
SARS-CoV-2 è il virus responsabile del COVID-19. Questo virus ha una struttura speciale chiamata Proteina Spike che lo aiuta a entrare nelle cellule umane. La proteina spike può essere vista come una chiave che apre la porta delle nostre cellule, permettendo al virus di entrare e causare un'infezione. Per capire come funziona, dobbiamo esplorare le parti della proteina spike e come collaborano insieme.
La Struttura della Proteina Spike
La proteina spike è composta da tre unità identiche chiamate monomeri. Ogni monomero ha due parti principali: S1 e S2. La parte S1 aiuta il virus ad attaccarsi alle nostre cellule, mentre la parte S2 è fondamentale per il processo di ingresso vero e proprio. Quando il virus si avvicina a una cellula, la proteina spike cambia forma. Questo cambiamento di forma le permette di legarsi a un recettore sulla superficie della cellula chiamato ACE2. Immagina ACE2 come la maniglia della porta che la chiave spike gira per aprire.
Come Funziona la Proteina Spike
Una volta che la proteina spike si attacca all'ACE2, succedono una serie di cambiamenti. Prima di tutto, la proteina spike diventa più accessibile per altre proteine nelle nostre cellule con cui interagire. Una di queste proteine importanti si chiama TMPRSS2, che taglia la proteina spike in punti specifici. Questo processo di taglio è essenziale per l'ingresso del virus nella cellula.
Dopo che la proteina spike è stata tagliata, subisce ulteriori cambiamenti. La parte S2 della spike si estende e si ripiega in una forma che le consente di fondersi con la membrana cellulare. Questa fusione è critica perché crea un poro attraverso il quale il virus può passare e consegnare il suo materiale genetico nella cellula ospite.
Il Ruolo dei Peptidi nello Studio della Proteina Spike
I ricercatori hanno sviluppato piccoli pezzi di proteine chiamati peptidi che possono interferire con la capacità della proteina spike di fondersi con le membrane cellulari. Uno di questi peptidi si chiama HR2. Usando questo peptide, gli scienziati possono catturare la proteina spike in diverse forme, in particolare le forme intermedie che si verificano durante il processo di fusione.
Peptidi come HR2 agiscono come una sorta di "sfasatore" durante la trasformazione della proteina spike. Si legano a parti specifiche della proteina spike, impedendole di completare il processo di ingresso. Questo è utile per studiare come funziona la proteina spike e come potremmo bloccarla per prevenire l'infezione.
Diversi Tipi di Spike e le Loro Varianti
SARS-CoV-2 non è solo un singolo virus; ha molte varianti che possono comportarsi in modi diversi. Alcune varianti hanno proteine spike leggermente diverse, il che può influenzare quanto bene si attaccano alle cellule o quanto efficacemente riescono a entrare nelle cellule. Ad esempio, la Variante D614G ha una piccola modifica che la rende migliore nell'infettare le cellule.
I ricercatori hanno studiato varie varianti, inclusi Delta e Omicron, confrontando come le loro proteine spike interagiscono con le nostre cellule e quanto efficacemente possono essere bloccate dai peptidi. Questi studi sono significativi per lo sviluppo dei vaccini e per capire quali varianti potrebbero diventare più dominanti.
Potenza dei Peptidi e Vie di Infezione
Non tutti i peptidi sono uguali. Alcuni sono migliori nel bloccare la proteina spike rispetto ad altri, a seconda delle condizioni. Anche il modo in cui il virus entra nella cellula può influenzare quanto bene funziona un peptide. Ci sono due principali vie di ingresso virale: fusione diretta con la membrana cellulare o utilizzo di vie endosomiali (come entrare attraverso una porta segreta).
Studi mostrano che alcuni peptidi funzionano meglio se il virus utilizza la via di ingresso diretta rispetto a quella endosomiale. Questo è qualcosa che gli scienziati possono testare in laboratorio usando cellule che esprimono recettori ACE2 o ACE2/TMPRSS2.
Catturare Intermedi di Spike con Peptidi
Usando peptidi HR2 appositamente progettati, i ricercatori possono catturare la proteina spike in forme intermedie che si verificano poco prima che avvenga la fusione. Questa cattura è fondamentale perché aiuta gli scienziati a osservare queste forme e a capire meglio come la proteina spike transita dalle sue forme pre-fusione a quelle post-fusione.
Quando i ricercatori aggiungevano peptidi HR2 alle cellule, potevano vedere che le proteine spike erano fermate dal completare il loro lavoro di fusione con la cellula. Interessante notare che catturare questi intermedi potrebbe variare con diverse varianti della proteina spike.
Impatto degli Anticorpi sui Cambiamenti Conformazionali della Proteina Spike
Gli anticorpi sono attori importanti nella nostra difesa immunitaria. Alcuni anticorpi possono legarsi alla proteina spike e influenzare la sua forma. I ricercatori hanno studiato due specifici anticorpi: CB6 e Bebtelovimab. Hanno scoperto che CB6 può innescare cambiamenti che rendono la proteina spike più facile da catturare nella sua forma intermedia. Nel frattempo, Bebtelovimab sembra prevenire tali cambiamenti di forma, impedendo alla proteina spike di passare allo stato di fusione.
Questa scoperta è importante perché evidenzia come gli anticorpi possano influenzare la progressione di un'infezione virale. Comprendere questa interazione può aiutare nello sviluppo di vaccini e trattamenti più efficaci.
La Complessità della Fusione Mediata dalle Spike
La fusione della membrana è un processo complicato. Non coinvolge solo una proteina spike; richiede coordinamento tra più proteine spike per creare un canale attraverso il quale il virus può entrare. Questo significa che il numero di spike coinvolti nella fusione può variare in base alla variante del virus e al tipo di cellula.
I ricercatori hanno scoperto che quando il numero di spike è giusto, il processo di fusione può essere più efficiente. Questa è un'area di interesse perché se possiamo capire come diversi fattori influenzano il processo di fusione, possiamo mirare a questi meccanismi per sviluppare strategie antivirali migliori.
Esplorare il Futuro dei Trattamenti e dei Vaccini
La domanda più critica oggi è: come fermiamo il SARS-CoV-2? Comprendendo la proteina spike, come funziona e come interagisce con altre molecole, gli scienziati possono sviluppare vaccini più efficaci. I vaccini attuali possono mirare a specifiche varianti meglio di altri, il che è cruciale mentre continuiamo a fronteggiare ceppi emergenti.
Inoltre, se riusciamo a progettare peptidi che bloccano efficacemente l'attività della proteina spike, potremmo creare nuovi trattamenti antivirali. Combinare questi approcci potrebbe darci un vantaggio nella gestione e prevenzione del COVID-19.
Conclusione
La proteina spike del SARS-CoV-2 è un obiettivo complesso e affascinante per la ricerca. Studiando la sua struttura, funzione e l'impatto di vari peptidi e anticorpi, i ricercatori cercano di capire come prevenire e trattare le infezioni. Con un pizzico di umorismo, si potrebbe dire che la proteina spike è come un intruso a una festa che ha bisogno di un buttafuori solido (peptidi e anticorpi) per tenerla fuori non invitata.
Man mano che la ricerca continua, ci avviciniamo a sviluppare strategie efficaci che potrebbero minimizzare l'impatto continuo del COVID-19 sulla salute globale. Con gli strumenti e le conoscenze giuste, potremmo tenere a bada quegli intrusi per sempre!
Titolo: Capture of fusion-intermediate conformations of SARS-CoV-2 spike requires receptor binding and cleavage at either the S1/S2 or S2' site
Estratto: Although the structures of pre- and post-fusion conformations of SARS-CoV-2 spikes have been solved by cryo-electron microscopy, the transient spike conformations that mediate virus fusion with host cell membranes remain poorly understood. In this study, we used a peptide fusion inhibitor corresponding to the heptad repeat 2 (HR2) in the S2 transmembrane subunit of the spike to investigate fusion-intermediate conformations that involve exposure of the highly conserved heptad repeat 1 (HR1). The HR2 peptide disrupts the assembly of the HR1 and HR2 regions of the spike, which form six-helix bundle during the transition to the post-fusion conformation. We show that binding of the spike S1 subunit to ACE2 is sufficient to trigger conformational changes that allow the peptide to capture a fusion-intermediate conformation of S2 and inhibit membrane fusion. When TMPRSS2 is also present, an S2 fusion intermediate is captured though the proportion of the S2 intermediate relative to the S2 intermediate is lower in Omicron variants than pre-Omicron variants. In spikes lacking the natural S1/S2 furin cleavage site, ACE2 binding alone is not sufficient for trapping fusion intermediates; however, co-expression of ACE2 and TMPRSS2 allows trapping of an S2 intermediate. These results indicate that, in addition to ACE2 engagement, at least one spike cleavage is needed for unwinding S2 into an HR2-sensitive fusion-intermediate conformation. Our findings elucidate fusion-intermediate conformations of SARS-CoV-2 spike variants that expose conserved sites on spike that could be targeted by inhibitors or antibodies. Author summaryThe SARS-CoV-2 spike protein undergoes two proteolytic cleavages and major conformational changes that facilitate fusion between viral and host membranes during virus infection. Spike is cleaved to S1 and S2 subunits during biogenesis, and S2 is subsequently cleaved to S2 as the virus enters host cells. While structures of pre-fusion and post-fusion spike conformations have been extensively studied, transient fusion-intermediate conformations during the fusion process are less well understood. Here, we use a peptide fusion inhibitor corresponding to a heptad repeat domain in the S2 subunit to investigate fusion-inducing conformational changes. During spike-mediated cell-cell fusion, we show that the peptide binds to spike only after spike engages ACE2 and is cleaved at the S1/S2, S2, or both sites. Thus, S2 needs at least one cleavage to refold to a peptide-sensitive fusion intermediate. SARS-CoV-2 variants differed in the proportion of S2 and S2 fusion intermediates captured after receptor binding, indicating that the virus has evolved not only to alter its entry pathway but also to modulate S2 unfolding. This work informs the development of antiviral strategies targeting conserved sites in fusion-intermediate conformations of spike and contributes more broadly to the understanding of the entry mechanisms of viral fusion proteins.
Autori: Sabrina Lusvarghi, Russell Vassell, Brittany Williams, Haseebullah Baha, Sabari Nath Neerukonda, Carol D. Weiss
Ultimo aggiornamento: 2024-12-06 00:00:00
Lingua: English
URL di origine: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.05.627124
Fonte PDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.05.627124.full.pdf
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