This model shows the structure of the spike protein in its closed configuration, in its original D614 form (left) and its mutant form (G614). In the mutant spike protein, the 630 loop (in red) stabilizes the spike, preventing it from flipping open prematurely and rendering SARS-CoV-2 more infectious. [Bing Chen, PhD, Boston Children's Hospital]
The SARS-CoV-2 variants that have emerged in the past few months have attracted an immense amount of speculation. Specifically, whether the mutations may confer an advantage to the virus, render our antibodies ineffective, and lead to vaccine escape. New research has uncovered why the G614 strain (with a substitution for aspartic acid by glycine at position 614 in the spike protein) and its recent variants—which are now the dominant circulating forms of the virus—facilitate rapid viral spread.
The work, led by Bing Chen, PhD, at Boston Children’s Hospital, analyzed how the structure of the spike protein changes with the D614G mutation. Using cryo-electron microscopy (cryo-EM), which has resolution down to the atomic level, they report structures of a full-length G614 spike trimer which adopts three distinct prefusion conformations differing primarily by the position of one receptor-binding domain (RBD). Chen’s team found that the D614G mutation makes the spike more stable as compared with the original SARS-CoV-2 virus.
This work is published in Science, in the paper, “Structural impact on SARS-CoV-2 spike protein by D614G substitution.”
In the original coronavirus, the spike proteins would bind to the ACE2 receptor and then dramatically change shape, folding in on themselves. This enabled the virus to fuse its membrane with our own cells’ membranes and get inside. However, as Chen and colleagues reported in July 2020, the spikes would sometimes . . .
prematurely change shape and fall apart before the virus could bind to cells. While this slowed the virus down, the shape change also made it harder for our immune system to contain the virus.“Because the original spike protein would dissociate, it was not good enough to induce a strong neutralizing antibody response,” said Chen.
When Chen and colleagues imaged the mutant spike protein, the authors noted that a loop disordered in the D614 spike trimer wedges between domains within a protomer in the G614 spike. This added interaction, they added, appears to “prevent premature dissociation of the G614 trimer, effectively increasing the number of functional spikes and enhancing infectivity, and to modulate structural rearrangements for membrane fusion.” In short, the more functional spikes are available to bind to cells’ ACE2 receptors, making the virus more infectious.
The researchers found that the D614G mutation stabilizes the spike by blocking the premature shape change. Interestingly, the mutation also makes the spikes bind more weakly to the ACE receptor, but the fact that the spikes are less apt to fall apart prematurely renders the virus overall more infectious.
“Say the original virus has 100 spikes,” Chen explained. “Because of the shape instability, you may have just 50% of them functional. In the G614 variants, you may have 90% that are functional, so even though they don’t bind as well, the chances are greater that you will have infection.”
Chen proposes that redesigned vaccines incorporate the code for this mutant spike protein. The more stable spike shape should make any vaccine based on the spike more likely to elicit protective neutralizing antibodies, he said. Indeed, the Moderna, Pfizer, and Johnson & Johnson vaccines are all based on the spike protein.
Chen and his colleagues are further applying structural biology to better understand how SARS-CoV-2 binds to the ACE2 receptor, with an eye toward therapeutics to block the virus from gaining entry to our cells.
In January, the team showed in Nature Structural & Molecular Biology that a structurally-engineered “decoy” ACE2 protein binds the virus 200 times more strongly than the body’s own ACE2. The decoy potently inhibited the virus in cell culture, suggesting it could be an anti-COVID-19 treatment. Chen is now planning to advance this research into animal models.
============================================
Η μετάλλαξη SARS-CoV-2 D614G σταθεροποιεί την πρωτεΐνη Spike, μπορεί να εξηγήσει ταχύτερη εξάπλωση
Αυτό το μοντέλο δείχνει τη δομή της ακίδας πρωτεΐνης στην κλειστή διαμόρφωσή της, στην αρχική της μορφή D614 (αριστερά) και τη μεταλλακτική της μορφή (G614). Στην μεταλλαγμένη ακίδα πρωτεΐνη, ο βρόχος 630 (με κόκκινο χρώμα) σταθεροποιεί την ακίδα, αποτρέποντάς το να ανοίγει πρόωρα και καθιστώντας το SARS-CoV-2 πιο μολυσματικό. [Bing Chen, PhD, Παιδικό Νοσοκομείο της Βοστώνης]
Οι παραλλαγές SARS-CoV-2 που εμφανίστηκαν τους τελευταίους μήνες έχουν προσελκύσει τεράστια κερδοσκοπία. Συγκεκριμένα, εάν οι μεταλλάξεις μπορεί να προσφέρουν πλεονέκτημα στον ιό, να καταστήσουν τα αντισώματά μας αναποτελεσματικά και να οδηγήσουν σε διαφυγή εμβολίων. Νέα έρευνα αποκάλυψε γιατί το στέλεχος G614 (με υποκατάσταση ασπαρτικού οξέος από γλυκίνη στη θέση 614 στην ακίδα πρωτεΐνης) και οι πρόσφατες παραλλαγές του - που είναι τώρα οι κυρίαρχες μορφές κυκλοφορίας του ιού - διευκολύνουν την ταχεία εξάπλωση του ιού.
Το έργο, με επικεφαλής τον Bing Chen, PhD, στο Boston Children's Hospital, ανέλυσε πώς αλλάζει η δομή της πρωτεΐνης της ακίδας με τη μετάλλαξη D614G Χρησιμοποιώντας κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία (cryo-EM), η οποία έχει ανάλυση έως το ατομικό επίπεδο, αναφέρουν δομές ενός πλήρους μήκους G614 spike trimer που υιοθετεί τρεις ξεχωριστές διαμορφώσεις προτίμησης που διαφέρουν κυρίως από τη θέση ενός πεδίου δέσμευσης υποδοχέα (RBD ). Η ομάδα του Chen διαπίστωσε ότι η μετάλλαξη D614G καθιστά την ακίδα πιο σταθερή σε σύγκριση με τον αρχικό ιό SARS-CoV-2.
Αυτή η εργασία δημοσιεύεται στο Science, στην εφημερίδα, «Δομικές επιπτώσεις στην πρωτεΐνη spike SARS-CoV-2 από την υποκατάσταση D614G».
Στον αρχικό κορανοϊό, οι ακίδες πρωτεΐνης θα προσδεθούν στον υποδοχέα ACE2 και στη συνέχεια θα αλλάζουν δραματικά το σχήμα, αναδιπλούμενες. Αυτό επέτρεψε στον ιό να συντήξει τη μεμβράνη του με τις μεμβράνες των κυττάρων μας και να μπει μέσα. Ωστόσο, όπως ανέφεραν ο Τσεν και οι συνάδελφοί του τον Ιούλιο του 2020, οι αιχμές μερικές φορές. . .
να αλλάξετε πρόωρα το σχήμα και να καταρρεύσετε προτού ο ιός συνδεθεί στα κύτταρα. Ενώ αυτό επιβράδυνε τον ιό, η αλλαγή του σχήματος έκανε επίσης πιο δύσκολο το ανοσοποιητικό μας σύστημα να συγκρατήσει τον ιό.
«Επειδή η αρχική πρωτεΐνη ακίδων θα διαχωριζόταν, δεν ήταν αρκετή για να προκαλέσει μια ισχυρή απόκριση εξουδετερωτικών αντισωμάτων», δήλωσε ο Τσεν.
Όταν ο Chen και οι συνεργάτες του απεικόνισαν τη μεταλλαγμένη ακίδα πρωτεΐνη, οι συγγραφείς σημείωσαν ότι ένας βρόχος διαταραγμένος στις D614 spike trimer σφήνες μεταξύ τομέων εντός ενός πρωτομερούς στο G614 spike. Αυτή η πρόσθετη αλληλεπίδραση, πρόσθεσαν, φαίνεται να "αποτρέπει την πρόωρη αποσύνδεση του τριμερούς G614, αυξάνοντας αποτελεσματικά τον αριθμό των λειτουργικών αιχμών και ενισχύοντας τη μολυσματικότητα, και για να ρυθμίσουμε τις δομικές αναδιατάξεις για τη μεμβράνη σύντηξης." Εν ολίγοις, οι πιο λειτουργικές αιχμές είναι διαθέσιμες για σύνδεση με τους υποδοχείς ACE2 των κυττάρων, καθιστώντας τον ιό πιο μολυσματικό.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η μετάλλαξη D614G σταθεροποιεί την ακίδα εμποδίζοντας την πρόωρη αλλαγή σχήματος. Είναι ενδιαφέρον ότι η μετάλλαξη κάνει επίσης τις αιχμές να συνδέονται πιο αδύναμα με τον υποδοχέα ACE, αλλά το γεγονός ότι οι αιχμές είναι λιγότερο ικανές να καταρρεύσουν πρόωρα καθιστά τον ιό γενικά πιο μολυσματικό.
«Ας πούμε ότι ο αρχικός ιός έχει 100 αιχμές», εξήγησε ο Τσεν. «Λόγω της αστάθειας του σχήματος, μπορεί να έχετε μόλις το 50% λειτουργικό. Στις παραλλαγές G614, μπορεί να έχετε 90% λειτουργικό, οπότε παρόλο που δεν δεσμεύονται επίσης, οι πιθανότητες είναι μεγαλύτερες ότι θα έχετε λοίμωξη. "
Ο Τσεν προτείνει ότι τα επανασχεδιασμένα εμβόλια ενσωματώνουν τον κωδικό για αυτήν την μεταλλαγμένη ακίδα πρωτεΐνης. Το πιο σταθερό σχήμα ακίδας πρέπει να κάνει οποιοδήποτε εμβόλιο που βασίζεται στην ακίδα πιο πιθανό να προκαλέσει προστατευτικά εξουδετερωτικά αντισώματα, είπε. Πράγματι, τα εμβόλια Moderna, Pfizer και Johnson & Johnson βασίζονται όλα στην ακίδα πρωτεΐνης.
Ο Τσεν και οι συνάδελφοί του εφαρμόζουν περαιτέρω τη δομική βιολογία για να κατανοήσουν καλύτερα πώς το SARS-CoV-2 συνδέεται με τον υποδοχέα ACE2, με το βλέμμα προς τις θεραπευτικές ουσίες για να εμποδίσει την είσοδο του ιού στα κύτταρα μας.
Τον Ιανουάριο, η ομάδα έδειξε στο Nature Structural & Molecular Biology ότι μια δομικά σχεδιασμένη πρωτεΐνη ACE2 «decoy» δεσμεύει τον ιό 200 φορές πιο έντονα από το ACE2 του ίδιου του σώματος. Το δόλωμα ανέστειλε ισχυρά τον ιό στην κυτταρική καλλιέργεια, υποδηλώνοντας ότι θα μπορούσε να είναι μια θεραπεία κατά του COVID-19. Ο Τσεν σχεδιάζει τώρα να προωθήσει αυτήν την έρευνα σε ζωικά μοντέλα.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου
To μπλόκ " Στοχσμός-Πολιτική" είναι υπεύθυνο μόνο για τα δικά του σχόλια κι όχι για αυτά των αναγνωστών του...Eπίσης δεν υιοθετεί απόψεις από καταγγελίες και σχόλια αναγνωστών καθώς και άρθρα που το περιεχόμενο τους προέρχεται από άλλες σελίδες και αναδημοσιεύονται στον παρόντα ιστότοπο και ως εκ τούτου δεν φέρει οποιασδήποτε φύσεως ευθύνη.