L’agent pathogène du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2) utilise avec succès plusieurs mécanismes d’évasion immunitaire pour provoquer une infection chez son hôte. Une nouvelle étude intrigante, publiée le bioRxiv* serveur de pré-impression, décrit un de ces processus, qui peut aider à développer des médicaments pour lutter plus efficacement contre le virus.
Le coiffage ARN est un terme utilisé pour désigner la modification enzymatique de l’extrémité 5 ‘du génome viral ARN. Ceci est crucial pour la synthèse efficace des protéines virales, la prévention de la dégradation de l’ARN viral par les RNases de l’hôte et l’évasion immunitaire.
Dans les coronavirus, ce processus se termine par l’assemblage de la protéine non structurale 16 (nsp16) et de son stimulateur non catalytique nsp10 à l’extrémité 5 ‘du nouveau brin d’ARN en croissance pour effectuer la S-adénosyl-L-méthionine (SAM) -dépendante méthylation du 2’-OH sur le premier nucléotide (N1), pour modifier la coiffe de l’ARN.
Cette étape convertit l’ARN de Cap-0 en Cap-1. En conséquence, la réponse immunitaire innée au virus est supprimée.
L’étude actuelle utilise une méthode de remplacement moléculaire pour explorer la structure du complexe hétérodimère nsp16 / nsp10 avec Cap-1. Le Cap-1 comprend N1, le N2 adjacent et un sous-produit de méthylation, SAH (S-adénosyl-L-homocystéine).
Sommaire
Mouvement respiratoire de l’enzyme
Les chercheurs ont découvert que le complexe nsp16 / nsp10 présentait une expansion par rapport à l’enzyme liée au substrat. Alors que le nsp16 lié au substrat Cap-0 a montré la structure canonique d’une feuille β centrale avec deux hélices α d’un côté et trois de l’autre, dans le complexe nsp16 / nsp10, divers décalages et rotations se produisent.
La conformation de l’enzyme liée à SAH change donc afin de faciliter sa «réinitialisation» pour une activité catalytique renouvelée à l’étape suivante. L’hétérodimère présente une interface élargie, avec une relaxation accrue. Ceci est le résultat d’un seul événement de méthylation 2′-O.
Pendant que l’activité catalytique se produit, l’enzyme montre un «mouvement de respiration», c’est-à-dire que les états liés au substrat, au produit et au sous-produit ne sont que les états complètement fermé, ouvert et partiellement ouvert de l’enzyme. Le Cap-1 est inséré dans une poche profonde entre la feuille β centrale et les deux boucles de grille. Le sous-produit SAH s’insère dans une cavité du côté C-terminal des brins β parallèles. Ces deux ne diffèrent que par les orientations de leurs terminaisons carboxy.
Structures des complexes SARS-CoV-2 nsp16 / nsp10. a, Le substrat (me7GpppA, bâton bleu) et le complexe nsp16 (cyan) / nsp10 (orange) lié au donneur de méthyle (SAM, bâton jaune) 8 représente une forme fermée. b, le produit (me7GpppAmU, bâton rouge; sous-produit SAH [grey stick]) -bound nsp16 (bleu) / nsp10 (magenta) à l’état ouvert. Un cercle jaune montre le ribose méthylé (2′-O-me) de la base N1 (A). c, Le SAH (gris) lié nsp16 (gris) / nsp10 (rose) représente un état partiellement ouvert ou de réinitialisation d’enzyme. d, La superposition basée sur la structure secondaire de nsp16 dans les états liés au substrat et au produit montre clairement l’expansion universelle de l’enzyme lors de la méthylation 2′-O. e, une vue rapprochée de la liaison de Cap et de la poche catalytique de la structure du produit montre des résidus de nsp16 (bâtonnets cyan) interagissant avec Cap-1 (rouge). Un changement de position d’orientation du substrat (Cap-0, bleu) par rapport à la structure «fermée» déterminée précédemment8 est représenté. f, Une superposition des structures liées au produit (Cap-1) et au sous-produit (SAH) montre un changement d’orientation de la boucle de porte 2. Réduction de la surface enterrée entre nsp16 / nsp10 dans les structures entièrement et partiellement ouvertes (par rapport au substrat- état fermé lié) est affiché (gi).
L’ion métallique joue un rôle crucial
L’étude montre également qu’un ion métallique divalent interagit avec les molécules d’eau pendant 2′-O Activité MTase. Les ions métalliques stabilisent les substrats d’acide nucléique et catalysent les réactions enzymatiques, telles que les ions magnésium dans le virus de la dengue.
L’hétérodimère nsp16 / nsp10 de type sauvage se lie au magnésium avec une haute affinité, permettant une interaction directe métal-protéine. Ceci ne se trouve que dans SARS-CoV-2, tout comme son orientation dans la même poche de reliure que Cap-1. Il se lie directement à nsp16 et au phosphate du second nucléotide uridine.
Avec la dengue, à l’inverse, l’ion magnésium ne lie pas la protéine tout en réticulant les groupes phosphate d’ARN cap.
Positionnement dans la poche catalytique
Les chercheurs ont également démontré le rôle de K46, K170 et N198 dans la catalyse, à travers leur réseau de chaînes latérales. Ceci est important pour obtenir le bon positionnement du capuchon d’ARN dans la poche catalytique. Cela garantit un 2′-O méthylation du premier nucléotide.
En empêchant son déplacement ou son mauvais positionnement lors de cette étape, ce réseau évite également le 2′- par inadvertance.O méthylation de la seconde.
Mutations dans la variante clinique
Ils ont également exploré les mutations du résidu S33 dans la boucle de porte 1, qui était impliquée dans l’épidémie de New York ainsi que dans d’autres épidémies de coronavirus précédentes. Les chaînes latérales de cet acide aminé peuvent interférer avec la liaison du magnésium dans la poche catalytique, désalignant ainsi le premier nucléotide.
Au lieu de cela, une chaîne latérale plus courte non seulement éviterait une telle intrusion mais pourrait produire plus de contacts avec l’ion métallique divalent, fournir une liaison plus forte à l’ARN et ainsi faciliter la réaction.
Ils ont constaté que N198 et K46 ont totalement anéanti l’activité catalytique de nsp16, tandis que la mutation S33R a montré une réduction de 80% de l’activité. Cependant, la mutation S33N a augmenté l’activité de 30%.
Impact de la substitution métallique
Lorsque le calcium est substitué au magnésium, le nsp16 de type sauvage présente une perte de 20%, mais pas pour le manganèse. Avec le mutant S33N, les trois ions divalents se sont comportés de manière comparable. Le S33R a montré 80% moins d’activité avec le manganèse et le magnésium, par rapport à l’enzyme de type sauvage, mais une activité résiduelle avec le calcium.
Le métal divalent ne semble pas jouer un rôle chimique dans le SRAS-CoV-2 nsp16, mais sa place clé dans la méthylation 2′-O de N1 est évidente. En conséquence, une modification des concentrations cellulaires d’ions métalliques pourrait modifier la progression du coiffage de l’ARN.
Quelles sont les implications?
L’étude suggère que les changements conformationnels de l’enzyme la rafraîchissent pour des cycles répétés de catalyse. Celles-ci comprennent l’élargissement lors de la formation du produit et une torsion vers l’intérieur de la région de liaison au substrat lors de la libération du produit.
Les chercheurs ont également trouvé un rôle pour les métaux divalents avec un mode de liaison direct métal-protéine unique qui semble être essentiel pour la méthylation 2′-O de N1.
Une variante clinique du virus présente une activité enzymatique modifiée, pour laquelle une explication structurelle a également été trouvée.
Le résultat d’un faible coiffage d’ARN dû à de faibles concentrations de métaux pourrait être une réduction de l’évasion de la réponse immunitaire de l’hôte. Par exemple, de faibles taux de calcium et de magnésium servent de prédicteurs de décès à l’hôpital chez les patients atteints de COVID-19 et sont couramment retrouvés dans le COVID-19 sévère, respectivement.
Cela pourrait être dû à un faible coiffage de l’ARN, qui, associé aux faibles niveaux d’ions métalliques divalents, provoque des réponses hyperinflammatoires chez certains patients atteints de COVID-19.
Des recherches plus poussées montreront si cette hypothèse est valide, à savoir, en explorant comment le coiffage ARN est lié aux niveaux de métaux dans la cellule hôte et à la réponse immunitaire innée.
*Avis important
bioRxiv 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 traités comme des informations établies.