La pandémie de COVID-19, causée par le virus SRAS CoV-2, continue de menacer les populations du monde entier, après avoir tué plus d’un million d’Américains. Ces dernières semaines, XBB.1.5, la variante la plus transmissible à ce jour, a commencé à déferler sur tout le pays.
L’un des aspects du nouveau coronavirus qui le rend si infectieux et difficile à contrôler est sa capacité à déjouer les défenses immunitaires innées de l’organisme.
Une nouvelle étude examine NendoU, (prononcé nenn-doh-YOU), une protéine virale responsable des tactiques d’évasion immunitaire du virus. La structure de cette protéine cruciale est explorée en détail à l’aide d’une technique connue sous le nom de cristallographie aux rayons X femtoseconde en série. La nouvelle recherche apparaît dans le numéro actuel de la revue La structure.
Pour la première fois, la protéine NendoU est imagée à une haute résolution de 2,5 angströms à température ambiante. La structure résultante révèle les détails sous-jacents de la flexibilité, de la dynamique et d’autres caractéristiques de la protéine avec une clarté sans précédent. Ces informations structurelles sont cruciales dans la conception de nouveaux médicaments et peuvent aider à faire progresser les thérapies pour cibler le SRAS CoV-2.
« Notre étude se concentre sur la façon dont le COVID-19 se cache du système immunitaire en utilisant la protéine NendoU », explique Rebecca Jernigan, première auteure de l’étude et chercheuse au Biodesign Center for Applied Structural Discovery de l’Arizona State University. « Alors que nous comprenons mieux la structure et les mécanismes de NendoU, nous avons une meilleure idée de la façon dont nous pouvons concevoir des médicaments antiviraux contre lui. »
La découverte offre la possibilité de produire des médicaments qui ciblent les changements conformationnels des protéines, tels que ceux décrits dans la nouvelle étude. De telles thérapeutiques seraient particulièrement attrayantes, car elles sont moins sujettes à la résistance aux médicaments.
Le Biodesign Center for Applied Structural Discovery a fait des progrès critiques dans les études structurelles de ce type, en résolvant une variété de structures biologiques complexes. Le centre est dirigé par Petra Fromme, qui est la chercheuse principale de l’étude. Fromme est également professeur Regents à l’École des sciences moléculaires de l’ASU.
« Ce travail est si excitant car il montre pour la première fois que les différences de flexibilité de la protéine jouent un rôle important dans le mécanisme fonctionnel », a déclaré Fromme. « Ce sera essentiel pour le développement de médicaments contre NendoU, avec le potentiel de révéler la présence du virus au système immunitaire, qui peut alors réagir et empêcher les infections graves. »
Intrigue virale
Les virus ont développé des stratégies complexes pour échapper aux mécanismes de défense de l’organisme. La recherche indique un certain nombre de tactiques utilisées par les coronavirus les plus virulents, un groupe d’agents pathogènes qui comprend ceux qui causent le COVID-19 (SRAS CoV-2), le syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS) et le syndrome respiratoire du Moyen-Orient (MERS).
La nouvelle étude explore comment la protéine NendoU aide le SRAS CoV-2 à se cacher du système immunitaire, à la vue de tous. Une fois qu’un virus se lie à un récepteur à la surface de la cellule, il insère son matériel génétique dans la cellule, ce qui amène la cellule à fabriquer plusieurs copies du génome viral, constituées soit d’ADN, soit, dans le cas des coronavirus, d’ARN.
Lorsque des virus comme le SRAS CoV-2 se répliquent dans les cellules, leur séquence d’ARN en croissance produit une queue à l’extrémité, connue sous le nom de queue poly-U. Cette queue est unique aux virus à ARN.
Les cellules humaines sont équipées de capteurs qui sont affinés pour détecter les virus à ARN envahisseurs, car la queue poly-U révèle leur identité d’envahisseurs étrangers, permettant au système immunitaire de les cibler. La recherche a montré que le SRAS CoV-2 utilise sa protéine NendoU pour se lier, puis couper la queue poly-U. Lorsque le NendoU mâche la queue poly-U, cela rend le virus moins visible pour le système immunitaire.
Maître du déguisement
Pour contrecarrer la capacité de NendoU à dissimuler le virus, les chercheurs ont besoin d’images haute résolution de la structure tridimensionnelle de la protéine. Jusqu’à présent, les structures résolues de la protéine NendoU n’ont été complétées que dans des conditions cryogéniques, en utilisant une technique connue sous le nom de cryo-EM, dans laquelle l’échantillon à l’étude est congelé par flash et imagé par microscopie électronique ou par cristallographie aux rayons X de grands congelés. cristaux. Cela a fourni des indices importants sur la nature précise de NendoU, mais plus d’informations seront nécessaires avant qu’un médicament puisse être conçu pour inhiber NendoU et exposer le virus du SRAS CoV-2 au ciblage immunitaire.
Pour ce faire, les chercheurs doivent résoudre la structure de manière si détaillée qu’ils savent où se trouve chaque atome de la protéine. Idéalement, la structure serait déterminée dans des conditions proches des conditions naturelles à température ambiante, où la dynamique peut être détectée. Cependant, les dommages causés par les électrons ou les rayons X sont si graves que dans la plupart des cas, la collecte de données se fait dans des conditions cryogéniques, où tous les mouvements sont figés. Pour obtenir une telle résolution à l’échelle atomique à température ambiante, une installation spécialisée en rayons X, connue sous le nom de XFEL (pour X-ray Free Electron Laser), est nécessaire.
Dans l’étude actuelle, les chercheurs ont obtenu les premiers instantanés sur le chemin vers une structure à l’échelle atomique. La technique, connue sous le nom de cristallographie femtoseconde en série, consiste à cristalliser l’échantillon de protéine sous la forme de milliards de petits microcristaux, puis à les délivrer à température ambiante dans un jet de rafales extrêmement courtes de rayons X puissants, produisant une série de dizaines de milliers de diagrammes de diffraction, chacun à partir d’un petit microcristal.
Les impulsions de rayons X ultracourtes, d’une durée de quelques dizaines de femtosecondes, dépassent les dommages causés par les rayons X aux cristaux, permettant de collecter des données à température ambiante dans des conditions proches de la physiologie. Pour donner une idée de l’échelle de temps extrêmement compacte de ces sursauts de rayons X, une femtoseconde est égale à un quadrillionième de seconde. Les ordinateurs sont utilisés pour combiner de grands lots de ces instantanés de rayons X, permettant aux chercheurs de construire des structures 3D détaillées d’une protéine et d’examiner son comportement dynamique.
L’étude actuelle a été menée à l’aide de LCLS (Linac Coherent Light Source), le seul laser à électrons libres à rayons X aux États-Unis au SLAC utilisant l’instrument de cristallographie macromoléculaire femtoseconde. Les chercheurs ont utilisé la cristallographie aux rayons X femtoseconde pour déverrouiller la structure de la protéine NendoU lorsqu’elle s’est accrochée à son substrat. Dans les cellules vivantes, ce serait la queue poly-U du brin d’ARN, mais pour l’étude, une molécule plus petite connue sous le nom de citrate a été trouvée dans le site de liaison de l’ARN.
« C’était excitant d’être invité à faire une expérience au LCLS », déclare Sabine Botha, co-auteure correspondante de l’étude et chef de projet pour l’analyse des données. « Ils venaient de connaître une longue période d’arrêt et ont rouvert au milieu de la pandémie avec un appel à propositions SARS-CoV-2. Ce fut une expérience très difficile, avec un tout nouveau détecteur de rayons X, mais aussi très enrichissante. «
Focus sur NendoU
L’un des avantages des études structurales avec les XFEL est que les phénomènes biologiques peuvent être étudiés au plus près de leur état physiologique naturel. Les résultats actuels révèlent que la structure à température ambiante de la protéine NendoU est plus flexible que la structure cryogénique. Il s’agit probablement d’une représentation plus fidèle par rapport aux structures « figées » identifiées précédemment.
« Comme les structures précédentes, nous avons également vu que NendoU forme un hexamère (six protéines NendoU identiques liées ensemble) », explique Debra Hansen, co-auteur de l’article et professeur de recherche associé au centre. De plus, les chercheurs ont découvert qu’une moitié de la protéine avait plus de flexibilité que l’autre moitié, qui était plus rigide.
Les détails structurels dévoilés par la lumière XFEL montrent que NendoU agit à travers un processus en deux étapes. Premièrement, la moitié la plus rigide de la protéine se lie au site actif du substrat (dans ce cas, la molécule de citrate). La moitié flexible de l’hexamère lie également le citrate (ou l’ARN), mais moins étroitement. Une fois que la moitié rigide a effectué la tâche de cliver le brin d’ARN, elle libère le brin. Cette moitié rigide devient alors souple tandis que la moitié souple passe à un état rigide et le cycle se répète. Ce mouvement en forme de ciseaux des deux principaux composants de NendoU aide à effacer le signal révélateur de la présence du virus dans la cellule, désactivant la réponse immunitaire.
Les instantanés XFEL de ces mouvements fournissent une carte détaillée pour la conception éventuelle de médicaments. Les futures structures utilisant des conditions de température ambiante cartographieront ces divers mouvements, et chaque carte permettra la conception informatique la plus précise des médicaments anti-COVID.
Le projet a mobilisé les ressources et les talents de nombreux groupes de recherche et plus de 30 collaborateurs. Outre le Biodesign Center for Applied Structural Discovery, la School of Molecular Sciences, le Department of Physics et la Fulton School of Electrical, Computer and Energy Engineering de l’ASU, les contributeurs incluent l’Université de Buffalo; Université du Wisconsin-Milwaukee ; le Deutsches Elektronen-Synchrotron, Hambourg; Conseil national espagnol de la recherche, Madrid; et Laboratoire national Lawrence Livermore.
Plus d’information:
Rebecca J. Jernigan et al, Études structurelles à température ambiante de la protéine NendoU du SRAS-CoV-2 avec un laser à électrons libres à rayons X, La structure (2023). DOI : 10.1016/j.str.2022.12.009