La pandémie de COVID-19 est causée par le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère zoonotique (SARS-CoV-2). Comme d'autres coronavirus pathogènes, le SRAS-CoV-2 a franchi la barrière des espèces pour provoquer une maladie humaine. Ce fait a motivé l'étude actuelle, publiée sur le serveur de pré-impression bioRxiv* en octobre 2020, qui explore la manière dont les coronavirus engagent leurs récepteurs de cellules hôtes dans une gamme d'animaux.
L'importance de cette étude réside dans les interactions étroites entre les humains et les animaux domestiques de toutes sortes, où la propagation respiratoire est très susceptible de se produire. Non seulement c'est une menace constante pour la race humaine, mais cela pose un défi économique aux éleveurs et aux propriétaires d'animaux.
Les études sur la pathologie virale et pour mesurer les médicaments thérapeutiques candidats utilisent également des animaux infectés par le virus. Ainsi, cette étude aidera les experts en santé publique, les stratèges économiques et ceux qui travaillent avec des modèles animaux de COVID-19.
Sommaire
Liaison virale via Spike Protein
Le virus se lie à l'enzyme de conversion de l'angiotensine 2 (ACE2) sur les cellules hôtes des poumons et d'autres organes à haute affinité. Le résultat est la fusion du virus à la membrane de la cellule hôte, ce qui conduit à une entrée cellulaire et à une infection.
Le complexe SARS-CoV-2 spike-ACE2 a été étudié par cristallographie et par microscopie électronique. Cela a montré comment les acides aminés interagissaient au niveau du domaine de liaison au récepteur de pointe (RBD) et de l'ACE2 humaine.
Etre capable de mesurer le potentiel de liaison de la RBD en pointe aiderait à être en mesure de prédire quels animaux sont sensibles à ce virus.
Variabilité de la séquence ACE2
Les chercheurs de la présente étude ont examiné les séquences conservées et divergentes de la protéine du récepteur ACE2 dans un certain nombre d'espèces pertinentes, en particulier dans le domaine de liaison au récepteur (RBD).
Tous les vertébrés avaient des séquences ACE2 homologues à ACE2 humain. Les séquences des macaques cynomolgus et des singes rhésus étaient identiques à 95% et 94% aux séquences humaines. Pour les autres mammifères, il était de l'ordre de 80 à 87%.
Avec la chauve-souris en fer à cheval, soupçonnée d'être un réservoir pour le virus, l'identité n'était que de 81% pour l'ensemble de la protéine ACE2 et de 76% pour les 25 acides aminés en interaction. En fait, dans de nombreux cas, le degré d'identité était largement différent à travers toute la séquence et les résidus en interaction.
Correspondant à cette constatation, ils ont observé qu'une protéine ACE2, provenant de bovins (Bos taurus), bien que différent du variant humain sur toute la séquence (79% d'identité), a montré une liaison de haute affinité à la RBD du pic SARS-CoV-2 (84% d'identité). Cela suggère qu'il peut y avoir de nombreuses espèces de mammifères qui permettent une infection par ce virus.
D'autre part, les résidus du site de liaison ont une identité plus faible par rapport à la séquence entière chez les chiens et les lapins. Des études futures doivent établir l'hypothèse que les résidus qui interagissent avec le RBD sont beaucoup plus pertinents pour la liaison que ceux en dehors de ce site.
Résidus variables à l'interface ACE2-RBD d'espèces individuelles. Avec ACE2 360 humain comme référence, les résidus d'interaction variant pour chaque espèce sont colorés en rouge, et conservés 361 résidus colorés en cyan. Pour le reste de la protéine ACE2, les résidus conservés sont blancs et 362 résidus variables rouge clair. Certains résidus comme M82, Q24, D30 et H34 sont souvent mutés par rapport à 363 humains. D30 est changé de manière conservatrice en glutamate, mais des changements plus non conservateurs peuvent être 364 observés pour H34, par exemple.
Séquence ACE2 et affinité de liaison
Les chercheurs ont comparé l'importance de diverses régions et des acides aminés individuels de la protéine à sa structure. Ce type d'étude a précédemment montré la présence de régions déterminantes complémentaires (CDR) au sein des anticorps, qui interagissent avec l'antigène correspondant.
L'entropie de Shannon est un outil puissant utilisé pour l'analyse de la variabilité. Ces tests ont montré que l'ACE2 était hautement conservée sur toute la séquence. Dans les 25 résidus de liaison ou d'interaction de RBD, 21 étaient bien conservés et aucun n'avait une entropie de Shannon élevée.
Il y avait 5 résidus entièrement conservés, 4 étant à proximité du site de liaison et un seul étant un résidu de contact. Leur préservation indique l'importance de ceux-ci pour l'entrée dans les cellules via la dégradation médiée par la protéase ou pour la structure protéique parmi les espèces.
Les plus variables se trouvaient aux positions 24 et 34, ces dernières étant au milieu de l'interface ACE2-RBD et ayant de loin l'entropie de Shannon la plus élevée. Ces deux éléments sont des résidus de contact. Certains chercheurs ont suggéré que ces positions peuvent aider à prédire l'infectivité d'un variant donné du SRAS-CoV-2.
Correspondance des résidus et affinité de liaison
Les résidus qui ne correspondaient pas à l'ACE2 humaine ont été évalués séparément à l'étape suivante. Ils ont constaté qu'avec la chauve-souris fer à cheval, seuls 5 des 8 résidus en contact avec le RBD étaient les mêmes que dans l'ACE2 humaine, mais 19/25 résidus à proximité. Cela pourrait signifier que son ACE2 a une affinité plus faible pour le virus.
Un autre hôte animal intermédiaire putatif pour le virus était le pangolin, et ici, un seul contact et trois résidus adjacents ne correspondaient pas à celui de l'ACE2 humaine. Davantage de données sont nécessaires pour confirmer son rôle dans la transmission du SRAS-CoV-2. Des matchs proches similaires incluent les chiens et les chats.
Chez les bovins, trois résidus en interaction au site de liaison sont modifiés, l'un étant un résidu de contact. Les vaches sont connues pour héberger un coronavirus bovin lointain lié au SRAS-CoV-2, et deux coronavirus de cette famille ont déjà franchi la barrière des espèces pour infecter les humains avec le rhume.
Cependant, ceux-ci se lient aux sialoglycanes plutôt qu'à l'ACE2. Néanmoins, il est nécessaire d'évaluer les vaches pour leur capacité à agir en tant qu'hôte réservoir pour le SRAS-CoV-2. En fait, les interactions entre le coronavirus bovin et le SRAS-CoV-2 pourraient conduire à l'émergence de recombinants, avec des conséquences dangereuses.
ACE2 bovin hautement conservé au site de liaison
Alors que l'ACE2 des vaches n'est identique qu'à environ 78% à l'homme, les résidus au site de liaison présentent une conservation plus élevée (84%). Les chercheurs ont examiné si cela permettrait une liaison de haute affinité au virus cible RBD malgré le reste de l'homologie inférieure de la séquence ACE2.
Ils ont constaté que lors des tests ELISA, la liaison de l'ACE2 bovin semblait être dix fois inférieure à celle de l'ACE2 humaine, principalement en raison d'un taux de dissociation plus rapide du complexe une fois formé. Étonnamment, cette affinité plus faible était comparable à celle de l'ACE2 humain pour le SRAS-CoV-1 RBD, étant dans la gamme nanomolaire faible par rapport à la concentration sub-nanomolaire de ce dernier.
Meilleur ajustement avec le modèle de liaison à deux sites
L'ACE2 humaine et bovine a montré un ajustement beaucoup plus cohérent lorsqu'un modèle à deux sites a été utilisé pour simuler l'interaction avec la RBD du virus. Cela peut signifier que les multimères RBD sont formés pour se lier avidement à la surface de l'ACE2. Si tel est le cas, la présence d'un deuxième site expliquerait l'affinité décuplée.
Implications
Les chercheurs commentent: « De telles interactions seraient importantes à explorer pour comprendre les détails de l'interaction entre le pic de coronavirus RBD et ACE2 sur la surface cellulaire. » L'ACE2 bovin se lie à la RBD du SRAS-CoV-2 avec une affinité élevée, même si elle est 5 à 10 fois plus faible qu'avec l'ACE2 humaine, et semble capable de permettre au virus d'infecter les vaches.
L'étude montre également la faisabilité d'utiliser la caractérisation biochimique du récepteur pour prédire comment diverses espèces traiteront le virus, en particulier avec un criblage à grande vitesse.
Les chercheurs indiquent, « Une étude plus approfondie des récepteurs viraux de diverses espèces, y compris le co-récepteur de neuropiline-2 récemment découvert pour le SRAS-CoV-2, devrait permettre un développement beaucoup plus précis et rapide d'algorithmes prédictifs basés sur la séquence des récepteurs viraux et la modélisation structurelle. «
*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, orienter la pratique clinique / les comportements liés à la santé ou être traités comme des informations établies.