La deuxième vague de la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19) a frappé durement de nombreux pays, avec des taux d’infection et de mortalité comparables à ceux de la première vague, voire les dépassant, dans certains cas. Malgré le déploiement des premiers vaccins, des antiviraux efficaces sont nécessaires pour traiter les patients atteints d’une maladie grave, ainsi que pour prévenir une situation similaire dans les futures pandémies de coronavirus pathogènes.
Une nouvelle étude apparaissant en pré-impression sur le bioRxiv * serveur décrit le in vitro mécanisme par lequel le remdesivir inhibe cinétiquement la réplication du virus responsable du COVID-19, le coronavirus-2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2).
Base structurelle du complexe SARS-CoV-2 RdRp calé par le remdesivir. Crédit d’image: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.12.14.422718v1.full.pdf
Remdesivir et inhibition virale
Ce virus a une enveloppe parsemée de la glycoprotéine de pointe trimérique qui forme la «couronne» de son nom, et un grand génome d’ARN. Lors de l’entrée virale dans la cellule hôte, il forme un complexe ARN polymérase ARN-dépendant (RdRp) constitué de la protéine non structurale nsp12 et des protéines accessoires nsp7 et nsp8.
L’un des rares médicaments approuvés pour traiter le COVID-19 est le remdesivir, un analogue de l’adénosine. Ce médicament semble bloquer l’activité de l’ARN polymérase ARN-dépendante (RdRp). La structure de ce complexe a été visualisée pour comprendre comment se déroule la réplication de l’ARN. Cependant, le mécanisme d’action du remdesivir reste incertain.
Détails de l’étude
L’étude actuelle décrit la structure du complexe ARN polymérase ARN-dépendante (RdRp) après l’incorporation du remdesivir, révélant comment ce médicament agit.
Premièrement, les chercheurs ont incubé le RdRp avec un duplex d’ARN amorce-matrice pour lui permettre d’incorporer deux molécules de triphosphate d’uracile et de trois molécules de remdesivir triphosphates (UTP et RTP, respectivement) à grande vitesse, en une seconde. Cela a déjà été démontré dans des recherches antérieures.
En poursuivant l’observation, ils ont constaté qu’un quatrième RTP était incorporé à un rythme beaucoup plus lent, à 0,13 / seconde. Aucune autre incorporation n’a eu lieu, ce qui a suggéré que le complexe était bloqué.
Ils ont découvert que le mélange était constitué de 10% et 90% de produits à 25 nucléotides et 26 nucléotides, incorporant respectivement 3 et 4 monophosphates de remdesivir (RMP). Dans ces conditions, lorsque l’UTP et l’ATP sont ajoutés à la solution, le résultat est un produit à 27 nucléotides, montrant que le blocage prématuré ne s’est pas produit. Lorsque les quatre nucléotides ont été ajoutés à ce produit à 250 uM, le produit s’est rapidement développé jusqu’à la longueur totale de 40 nucléotides en 15 secondes.
Inversement, lorsqu’il est ajouté à l’ARN bloqué, une extension à 40 nucléotides s’est produite dans seulement 70% de l’amorce de 26 nucléotides, à une vitesse lente de 0,08 / seconde, prenant 15 secondes. C’est 4 000 fois plus lent que le taux normal d’incorporation. Ces résultats concordent avec des études antérieures. Cependant, avec l’enzyme de réplication très active actuelle, une autre observation apparaît, à savoir que l’inhibition peut être surmontée en incubant le produit avec des concentrations de nucléotides élevées.
Lorsque les produits intermédiaires ont été examinés en cryo-microscopie électronique, les chercheurs ont pu modéliser un intermédiaire d’élongation d’amorce bloqué par le remdesivir. Au site actif du complexe RdRp, ils ont constaté que les RMP étaient présents à 1, 2 et 3 nucléotides en aval du site actif. Cependant, il y avait une densité supplémentaire dans le site actif de la polymérase, qui indique la présence d’un autre remdesivir.
Le quatrième RMP bloque la translocation
Cela confirme l’analyse antérieure et suggère la formation d’un appariement de bases entre le quatrième RMP et le monophosphate d’uracile (UMP) de la matrice ainsi que des interactions d’empilement avec des RMP adjacentes.
Cependant, cela peut créer un certain désordre dans le squelette ARN. Il était inattendu de trouver la quatrième RMP sur le site actif de l’enzyme plutôt que de se transloquer pour permettre la liaison du prochain UMP. Cette étape semble donc être responsable du blocage de l’enzyme.
Les chercheurs ont créé un modèle de RdRp bloqué putatif, le premier RMP se déplaçant vers la quatrième position en aval du site actif. Dans ce cas, cette RMP serait stériquement entravée par la chaîne latérale de la sérine en position 861 de nsp12. Ainsi, cette sérine empêche ou ralentit physiquement la translocation du complexe amorce: matrice, et peut également perturber la structure normale du site actif. En conséquence, le taux d’allongement de la chaîne ralentit.
Ce modèle explique donc les changements structurels qui conduisent au décrochage du RdRp suite à l’ajout du quatrième RMP. Des études antérieures ont montré que les mutations de Ser861 sur nsp12 réduisent l’activité du remdesivir, ce qui concorde avec les résultats actuels.
Encore une fois, cette étude démontre la capacité des quatre groupes cyano des quatre RMP à s’intégrer dans le site actif. Les affrontements stériques se produisent uniquement lorsque le duplex d’ARN tente de se déplacer au quatrième RMP, pour libérer le site actif de se lier et ajouter un autre UTP, soutenant des résultats similaires d’une autre étude récente.
Quelles sont les implications?
Cette étude est la première à révéler la structure d’un complexe d’allongement calé d’un complexe RdRp actif.
Les données structurelles ainsi que les données cinétiques définissent le mécanisme d’inhibition par le remdesivir en tant qu’inhibiteur d’extension de chaîne retardée. »
Les chercheurs émettent l’hypothèse qu’en présence de l’exonucléase de relecture, nsp10 / 14, la base terminale 3 ‘serait retirée de l’enzyme bloquée et remplacée rapidement. Cela pourrait se terminer dans un état stable avec le retrait et le remplacement répétés de cette base. En conséquence, un allongement supplémentaire de l’ARN serait inhibé tout en empêchant l’excision de la RMP.
À l’appui de cela, les mutations qui réduisent l’activité des exonucléases multiplient par cinq l’effet du remdesivir. Eventuellement, si l’exonucléase est inactive, le remdesivir peut s’enfouir dans le génome viral et provoquer des mutations mortelles.
Nos données actuelles fournissent une base structurelle pour le blocage induit par la RMP, ce qui peut guider le développement d’analogues nucléosidiques plus efficaces. »
*Avis important
medRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, guider la pratique clinique / les comportements liés à la santé ou être traités comme des informations établies.
