jueves, 26 de marzo de 2020

Genoma del COVID-19, con especial referencia al dominio RBD que se une a la ACE/2.

Desde que se publicó el genoma del betacoronavirus SARS-CoV-2 he deseado ver la imagen tridimensional de su glicoproteína espicular S. Como no podía ser de otra forma, su imagen con criomicroscopia electrónica se ha logrado en un tiempo récord. El equipo liderado por Jason S. McLellan, Univ. Texas en Austin (EEUU), la ha publicado en la revista Science. Gracias a esta imagen con una resolución de 3.5 Å se confirma que esta proteína S se acopla a la proteína ACE2 de las células humanas con mayor afinidad que la del coronavirus SARS-CoV. La proteína S es la diana de los anticuerpos que nos inmunizan. Su estructura 3D permite entender por qué los anticuerpos monoclonales publicados contra el SARS-CoV no son afectivos contra SARS-CoV-2. Sin lugar a dudas, ayudará a acelerar el desarrollo de vacunas y terapias contra la infección COVID-19.
La proteína S es un trímero formado por tres péptidos, cada uno con dos subunidades S1 y S2. La subunidad S1 actúa como una bisagra con dos conformaciones llamadas «abajo» (RBD down) y «arriba» (RBD up). La imagen por criomicroscopia electrónica muestra que solo uno de los péptidos está en estado «arriba», estando los otros dos en estado «abajo». La unión al receptor celular se realiza en la configuración «arriba». Tras la unión se escinden los tres péptidos de la proteína S por el punto S1/S2; luego se produce una segunda escisión por el punto S2′, que despliega el péptido de fusión (FP) clave en la unión entre las membranas. La conformación tridimensional observada indica que la fusión entre el virus y el huésped es muy similar a la documentada en otros coronavirus (sobre todo para el coronavirus de la hepatitis murina, M-CoV, y para el SARS-CoV).
Sin lugar a dudas se ha dado un paso de gigante en la gestión de la infección COVID-19. El artículo es Daniel Wrapp, Nianshuang Wang, …, Jason S. McLellan, «Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation,» Science 367: 1260-1263 (13 Mar 2020), (AOP 19 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1126/science.abb2507, bioRxiv preprint 944462 (15 Feb 2020), doi: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.11.944462. Por cierto, varios artículos han publicado reconstrucciones 3D realizadas por ordenador: Javier A. Jaimes, Nicole M. André, …, Gary R. Whittaker, «Structural modeling of 2019-novel coronavirus (nCoV) spike protein reveals a proteolytically-sensitive activation loop as a distinguishing feature compared to SARS-CoV and related SARS-like coronaviruses,» bioRxiv preprint 942185 (18 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.02.10.942185; Alba Grifoni, John Sidney, …, Alessandro Sette, «Candidate targets for immune responses to 2019-Novel Coronavirus (nCoV): sequence homology- and bioinformatic-based predictions,» bioRxiv preprint 946087 (20 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.02.12.946087; Chunyun Sun, Long Chen, …, Liangzhi Xie, «SARS-CoV-2 and SARS-CoV Spike-RBD Structure and Receptor Binding Comparison and Potential Implications on Neutralizing Antibody and Vaccine Development,» bioRxiv preprint 951723 (20 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.02.16.951723; Renhong Yan, Yuanyuan Zhang, …, Qiang Zhou, «Structural basis for the recognition of the 2019-nCoV by human ACE2,» bioRxiv preprint 956946 (20 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.02.19.956946; Jun Lan, Jiwan Ge, …, Xinquan Wang, «Crystal structure of the 2019-nCoV spike receptor-binding domain bound with the ACE2 receptor,» bioRxiv preprint 956235 (20 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.02.19.956235; también se ha reconstruido la estructura de la proteasa M del coronavirus en Linlin Zhang, Daizong Lin, …, Rolf Hilgenfeld, «X-ray Structure of Main Protease of the Novel Coronavirus SARS-CoV-2 Enables Design of α-Ketoamide Inhibitors,» bioRxiv preprint 952879 (20 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.02.17.952879.
[PS 25 feb 2020] Se ha publicado el preprint de una segunda reconstrucción 3D de la proteína S del SARS-CoV-2 obtenida mediante criomicroscopia electrónica, obtenida por el equipo de David Veesler (Univ. Washington, Seattle, USA). Un artículo muy interesante que complementa al publicado en Science. Los interesados disfrutarán con Alexandra C. Walls, Young-Jun Park, …, David Veesler, «Structure, function and antigenicity of the SARS-CoV-2 spike glycoprotein,» bioRxiv preprint 956581 (20 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.02.19.956581. [/PS]



Fuente: Spike Protein / S Protein (Sino Biological).

La proteína S (espicular) es una proteína trimérica transmembrana de tipo I con entre 1160 y 1400 aminoácidos, según el tipo de coronavirus. Esta proteína que forma la «corona» de los coronavirus está constituida por tres pépticos repetidos (es un trímero) y está muy glicosilada (contiene entre 21 y 35 sitios donde se adicionan carbohidratos), lo que facilita su unión a azúcares y proteínas. Cada péptido está formado por dos dominios llamados S1 y S2. En los gammacoronavirus  y en algunos betacoronavirus se produce una escisión de las subunidades S1 y S2 durante la fusión entre las membranas, mientras que en los alfacoronavirus y en algunos betacoronavirus no se produce dicha escisión. SARS-CoV-2 es un betacoronavirus en el que se produce la escisión.
El dominio S1 tiene a su vez dos subdominios, uno N-terminal (NTD), que finaliza con un aminoácido que posee un grupo amino libre (-NH2), y otro C-terminal (CTD), que termina en un grupo carboxilo (-COOH); ambos se acoplan al receptor ACE2 de la célula huésped, luego son dominios de unión al receptor (RBD). El dominio S2 es de tipo C-terminal y está muy conservado entre todos los coronavirus, que se diferencian mucho más en la subunidad S1. El dominio S2 contiene dos regiones, HR1 y HR2, en las que se repiten grupos de siete aminoácidos (llamados heptads), en la forma abcdefg, conteniendo a y d residuos hidrófugos que participan en la fusión entre las membranas. Los dominios HR1 y HR2 son dianas terapéuticas, pues se conocen fármacos que inhiben su acción, evitando o dificultando la fusión.
La infección de células epiteliales de las vías respiratorias está orquestada por la proteína S del virus. La figura ilustra los pasos generales del proceso de fusión. Primero, el dominio S1 reconoce y se acopla al receptor de la célula huésped. Segundo, se produce una primera escisión de los dominios S1 y S2, y una segunda escisión en el punto S2′; esta última permite que se active el péptido de fusión (FP) que conecta las membranas del huésped y el virus (esta fase se llama etapa intermedia de fusión, o fusion-intermediate stage). Y tercero, la región entre HR1 y HR2 se reconforma (se dobla) dando lugar a un heptámero (6-HB) que une ambas membranas permitiendo la entrada del virus.
La proteína S de los coronavirus es clave en el desarrollo de vacunas (antígenos que induzcan una respuesta inmune a la presencia del dominio S1) y para el desarrollo de antivirales (inhibidores de algunas de las etapas de la fusión entre membranas, normalmente atacando regiones concretas del dominio S2). Conocer la estructura tridimensional de la proteína S es fundamental para combatir la epidemia de COVID-19.
Este vídeo del laboratorio de David Veesler, Univ. Washington (EEUU), muestra la glicoproteína S del coronavirus más conocido y estudiado, el virus de la hepatitis murina (MHV), que infecta al ratón. Se destacan en el vídeo el gran número de regiones glicosiladas (los azúcares que decoran a la proteína) que ayudan al virus a evadir el reconocimiento por parte de anticuerpos. Supongo que en las próximas semanas se publicará un vídeo similar con la del coronavirus SARS-CoV-2. Por cierto, se publicó en Alexandra C. Walls, M. Alejandra Tortorici, …, David Veesler, «Cryo-electron microscopy structure of a coronavirus spike glycoprotein trimer,» Nature 531: 114-117 (08 Feb 2016), doi: https://doi.org/10.1038/nature16988.
El nuevo artículo en Science incluye un vídeo que muestra cómo cambia la conformación de la glicoproteína espicular S del coronavirus SARS-CoV-2 antes y después de fusionarse al receptor ACE2 (segunda enzima convertidora de angiotensina I) en la membrana de la célula huésped. Se observa tanto en una vista frontal, al principio del vídeo, como en una vista superior, al final. En el paso de la subunidad S1 del estado «abajo» (RBD down) al estado «arriba» (RBD up) se observa también un cambio de la conformación de la subunidad S2.
La secuencia de la proteína S del SARS-CoV-2 coincide al 98% con la proteína S del coronavirus Bat-RaTG13, con la gran diferencia de que en el sitio de escisión se encuentran los cuatro aminoácidos RRAR (arginina-arginina-alanina-arginina) en lugar de una sola arginina (R). Además, se diferencian en 29 residuos, 17 de los cuales se encuentran en la región RBD. La comparación realizada en el artículo entre los 61 genomas completos de SARS-CoV-2 disponibles en GISAID (Global Initiative on Sharing All Influenza Data) muestra que solo 9 aminoácidos diferentes entre todos ellos; y todas estas variantes están en lugares muy bien conservados, con lo que no parecen afectar a la letalidad del coronavirus.
En resumen, un artículo muy interesante que tendrá un gran impacto entre quienes luchan contra la infección de COVID-19. En bioquímica se dice que la forma determina la función. Poder observar la estructura tridimensional de la proteína S permite explorar con nuevos ojos los detalles de los procesos bioquímicos involucrados en la fusión entre el virus y la célula huésped.

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