Les chercheurs déterminent la structure atomique de la protéine qui aide le coronavirus à échapper aux cellules immunitaires

Une équipe de chercheurs sur le VIH, de biologistes cellulaires et de biophysiciens qui se sont regroupés pour soutenir la science du COVID-19 a déterminé la structure atomique d’une protéine de coronavirus censée aider le pathogène à échapper et à atténuer la réponse des cellules immunitaires humaines.

La carte structurelle – qui est maintenant publiée dans la revue PNAS, mais est en libre accès pour la communauté scientifique depuis août – a jeté les bases de nouveaux traitements antiviraux spécialement conçus pour le SRAS-CoV-2, et a permis de nouvelles enquêtes sur la façon dont le virus nouvellement émergé ravage le corps humain.

En utilisant la cristallographie aux rayons X, nous avons construit un modèle atomique d’ORF8, et il a mis en évidence deux régions uniques: une qui n’est présente que dans le SARS-CoV-2 et son ancêtre immédiat de chauve-souris, et une qui est absente de tout autre coronavirus. Ces régions stabilisent la protéine – qui est une protéine sécrétée, non liée à la membrane comme les protéines de pointe caractéristiques du virus – et créent de nouvelles interfaces intermoléculaires. Nous, et d’autres membres de la communauté de recherche, pensons que ces interfaces sont impliquées dans des réactions qui rendent le SRAS-CoV-2 plus pathogène que les souches dont il a évolué. « 

James Hurley, auteur principal, professeur, UC Berkeley, ancien professeur scientifique, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab)

La biologie structurale à l’honneur

La génération de cartes de structure protéique demande toujours beaucoup de travail, car les scientifiques doivent concevoir des bactéries capables de pomper de grandes quantités de molécule, de manipuler les molécules sous une forme cristalline pure, puis de prendre de très nombreuses images de diffraction aux rayons X des cristaux. Ces images – produites sous forme de faisceaux de rayons X rebondissent sur les atomes dans les cristaux et traversent des espaces dans le réseau, générant un motif de taches – sont combinées et analysées via un logiciel spécial pour déterminer l’emplacement de chaque atome individuel. Ce processus laborieux peut prendre des années, selon la complexité de la protéine.

Pour de nombreuses protéines, le processus de construction d’une carte est facilité en comparant la structure de la molécule non résolue à d’autres protéines avec des séquences d’acides aminés similaires qui ont déjà été cartographiées, ce qui permet aux scientifiques de faire des suppositions éclairées sur la façon dont la protéine se replie dans sa forme 3D.

Mais pour ORF8, l’équipe a dû repartir de zéro. La séquence d’acides aminés d’ORF8 ne ressemble à aucune autre protéine que les scientifiques n’avaient aucune référence pour sa forme globale, et c’est la forme 3D d’une protéine qui détermine sa fonction.

Hurley et ses collègues de l’UC Berkeley, expérimentés dans l’analyse structurale des protéines du VIH, ont travaillé avec Marc Allaire, biophysicien et expert en cristallographie au Berkeley Center for Structural Biology, situé à la source de lumière avancée (ALS) du Berkeley Lab. Ensemble, l’équipe a travaillé en overdrive pendant six mois – le laboratoire de Hurley a généré des échantillons de cristal et les a transmis à Allaire, qui utiliserait les lignes de rayons X de l’ALS pour prendre les images de diffraction. Il a fallu des centaines de cristaux avec plusieurs versions de la protéine et des milliers d’images de diffraction analysées par des algorithmes informatiques spéciaux pour décortiquer la structure d’ORF8.

« Les coronavirus mutent différemment des virus comme la grippe ou le VIH, qui accumulent rapidement de nombreux petits changements grâce à un processus appelé hypermutation. Dans les coronavirus, de gros morceaux d’acides nucléiques se déplacent parfois par recombinaison », a expliqué Hurley. Lorsque cela se produit, de grandes et nouvelles régions de protéines peuvent apparaître.

Des analyses génétiques menées très tôt dans la pandémie de SRAS-CoV-2 ont révélé que cette nouvelle souche avait évolué à partir d’un coronavirus infectant les chauves-souris, et qu’une mutation de recombinaison significative s’était produite dans la zone du génome qui code pour une protéine, appelée ORF7, trouvé dans de nombreux coronavirus. La nouvelle forme d’ORF7, nommée ORF8, a rapidement attiré l’attention des virologues et des épidémiologistes car des événements de divergence génétique importants comme celui observé pour ORF8 sont souvent la cause de la virulence d’une nouvelle souche.

« Fondamentalement, cette mutation a fait doubler la taille de la protéine, et la substance qui a doublé n’était liée à aucun repli connu », a ajouté Hurley. « Il y en a un noyau d’environ la moitié qui est lié à un type de pli connu dans une structure résolue à partir de coronavirus antérieurs, mais l’autre moitié était complètement nouvelle. »

Répondre à l’appel

Comme tant de scientifiques travaillant sur la recherche sur le COVID-19, Hurley et ses collègues ont choisi de partager leurs résultats avant que les données ne puissent être publiées dans une revue à comité de lecture, permettant à d’autres de commencer des études de suivi percutantes des mois plus tôt que le processus de publication traditionnel. avoir autorisé. Comme l’a expliqué Allaire, la crise générale causée par la pandémie a fait basculer tous les membres de la communauté de recherche dans un état d’esprit pragmatique. Plutôt que de se soucier de savoir qui a accompli quelque chose en premier ou de s’en tenir aux limites de leurs domaines d’étude spécifiques, les scientifiques ont partagé des données tôt et souvent et ont entrepris de nouveaux projets lorsqu’ils avaient les ressources et l’expertise nécessaires.

Dans ce cas, les co-auteurs de l’UC Berkeley de Hurley avaient l’expertise en protéines virales et en cristallographie, et Allaire, un collaborateur de longue date, était juste en haut de la colline, également avec une expertise en cristallographie et, de manière critique, une ligne de lumière qui était toujours opérationnelle. L’ALS avait reçu un financement spécial de la loi CARES pour rester opérationnel pour les enquêtes sur le COVID-19. Après avoir examiné l’analyse génomique du SRAS-CoV-2 publiée en janvier, l’équipe savait que l’ORF8 était une pièce importante du puzzle (alors beaucoup plus flou) de la pandémie, alors ils se sont mis au travail.

Les auteurs sont depuis tous passés à d’autres projets, satisfaits d’avoir jeté les bases pour que d’autres groupes étudient l’ORF8 plus en détail. (Actuellement, plusieurs enquêtes sont en cours axées sur la façon dont ORF8 interagit avec les récepteurs cellulaires et comment il interagit avec les anticorps, car les individus infectés semblent produire des anticorps qui se lient à ORF8 en plus des anticorps spécifiques aux protéines de surface du virus.)

«Lorsque nous avons commencé cela, d’autres projets avaient été mis en attente, et nous avons eu cette occasion unique de nous arrêter et de résoudre un problème urgent», a déclaré Allaire, qui fait partie de la division Biophysique moléculaire et bioimagerie intégrée du Berkeley Lab. « Nous avons travaillé très étroitement, avec beaucoup de va-et-vient, jusqu’à ce que nous ayons raison. Cela a vraiment été l’une des meilleures collaborations de ma carrière. »