Desarrollo de un modelo de coordinación de sustratos para ACE2 unido a Zn


La pandemia de la enfermedad por coronavirus 19 (COVID-19) en curso, causada por el coronavirus-2 del síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV-2) se ha cobrado más de 2,8 millones de vidas en todo el mundo. Las autoridades enfrentan dificultades para prevenir la propagación de enfermedades debido a la naturaleza altamente infecciosa del SARS-CoV-2. Por lo tanto, reducir la capacidad del virus para infectar las células epiteliales respiratorias de un individuo podría resultar una medida eficaz para prevenir la transmisión de enfermedades.

La proteína Spike (S) del SARS-CoV-2 es la principal responsable de facilitar la entrada en las células huésped. Durante este proceso, la proteína S es cebada por la serina proteasa 2 transmembrana (TMPRSS2), con el dominio S1 de la proteína interactuando con la enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2) de la célula huésped. La interacción posterior, ACE2, que está presente en las balsas lipídicas de las membranas celulares de los huéspedes, induce endocitosis y, por lo tanto, se produce la infección.

Muchos investigadores se han centrado en prevenir la infección viral bloqueando la capacidad de la proteína S para interactuar con ACE2. Este proceso requiere nuevos inhibidores con una alta afinidad por la proteína S. Otro enfoque es desarrollar inhibidores de ACE2 utilizando su sustrato nativo, es decir, el péptido angiotensina II (Ang II), como estructura de partida. La función fisiológica principal de ACE2 es escindir un solo aminoácido del extremo C-terminal del octapéptido Ang II que ayuda a controlar la presión arterial.

La ACE2 se puede clasificar como una glucincina debido a la presencia de una secuencia de aminoácidos que se coordina con el zinc en el sitio de unión de Ang II. Estudios anteriores revelaron que esta clase de metaloproteasa se somete a catálisis mediante la adición nucleofílica de una molécula de agua, coordinada con el zinc en el ACE2. Aunque Ang II tiene una alta afinidad por ACE2, no comparte un sitio de unión activo con la proteína S. Por tanto, Ang II no puede inhibir únicamente la unión de la proteína S. Sin embargo, los investigadores percibieron que la incorporación de un conjugado péptido-nanopartícula al péptido Ang II permitiría bloquear el sitio del receptor, lo que inhibiría la interacción entre la proteína S y ACE2.

El éxito de esta estrategia depende en gran medida de la afinidad de Ang II por ACE2. Los investigadores han indicado que la afinidad de Ang II por ACE2 se puede mejorar potencialmente modificando la estructura primaria de Ang II.

Un nuevo estudio, publicado en el bioRxiv* servidor de preimpresión, busca determinar mutantes de Ang II a partir de estudios previos e identificar nuevas secuencias de mutantes de Ang II que posean una alta afinidad de unión a ACE2, utilizando métodos computacionales. En este estudio, el péptido nativo y cada mutante de Ang II se acoplaron al zinc en todos los sitios de coordinación probables que se encuentran dentro del péptido reemplazando la molécula de agua existente en el sitio de coordinación. También se evaluó el impacto potencial de la unión del péptido a ACE2 sobre la estructura de la región de unión a la proteína S.

Muchos científicos han adoptado métodos computacionales para descubrir moléculas esenciales para diseñar nuevos fármacos. En este método, los posibles inhibidores se acoplan al receptor, después de lo cual se realizan simulaciones de dinámica molecular (MD) y se calcula la energía libre de unión. Esta técnica ayuda a determinar con precisión nuevas moléculas inhibidoras potenciales para la proteína S y ACE2. Esta molécula se valida posteriormente a través de varios experimentos en el laboratorio. El éxito de los experimentos depende en gran medida de la asignación de los parámetros adecuados a todos los átomos y las interacciones obtenidas mediante simulaciones de MD y, posteriormente, del cálculo de la energía de enlace libre.

La investigación actual seleccionó mutantes basándose en los resultados del estudio anterior que evaluó los péptidos DRVYVYPF y DRVYIYPF. Ambos mutantes habían mostrado una potente inhibición de ACE2 que la Ang II nativa en un ensayo de sustrato fluorescente desactivado. Estos mutantes también mostraron una mayor estabilidad a la degradación enzimática. El estudio anterior reveló que el sexto residuo de Ang II podría desempeñar un papel vital en la unión a ACE2. En el estudio actual, además, también se consideró DRVYIEPF. Los investigadores han incorporado cisteína y glutamato como el sexto residuo, ya que pueden unirse a los iones de zinc. También se estudió el cuarto residuo de aminoácido. Este estudio reveló que la Ang II nativa y DRVYVYPF forman un complejo de ACE2 con una energía libre de unión significativamente fuerte. También se observó que el cuarto residuo de aminoácido de la secuencia mutante se unía a las coordenadas de zinc.

(A) La estructura de Ang II (rojo) unida a ACE2 (verde azulado).  La hendidura en ACE2 donde reside Ang II es visible tanto en la imagen renderizada en la superficie (izquierda) como en el diagrama de cinta (derecha).  Los residuos de ACE2 que interactúan con la proteína de pico se muestran en negro.  (BE) Vistas ampliadas de la unión de Ang II-ACE2, que muestran la coordinación de Ang II con zinc (naranja) en cuatro posibles residuos de D, Y, H y el extremo C, que se muestran en B, C, D y E , respectivamente.  Los residuos de coordinación correspondientes en ACE2 se muestran en violeta.

(A) La estructura de Ang II (rojo) unida a ACE2 (verde azulado). La hendidura en ACE2 donde reside Ang II es visible tanto en la imagen renderizada en la superficie (izquierda) como en el diagrama de cinta (derecha). Los residuos de ACE2 que interactúan con la proteína de pico se muestran en negro. (BE) Vistas ampliadas de la unión de Ang II-ACE2, que muestran la coordinación de Ang II con zinc (naranja) en cuatro posibles residuos de D, Y, H y el extremo C, que se muestran en B, C, D y E , respectivamente. Los residuos de coordinación correspondientes en ACE2 se muestran en violeta.

Una limitación de este estudio es la falta de cálculos de entropía del protocolo MM / PBSA, pero como el error tiende a ser marginal, no contradice el resultado proyectado. Este estudio tampoco incluyó los impactos de la cinética, ya que requiere técnicas computacionalmente más costosas.

Por lo tanto, esta investigación reveló que entre las secuencias estudiadas, solo una, la secuencia nativa de Ang II, exhibía una fuerte energía de unión y podía unirse a la hendidura de ACE2. La fuerte energía de unión estaba relacionada con el residuo de tirosina en la cuarta posición de la secuencia de péptidos que coordinaba con el átomo de zinc en la hendidura. Otra conclusión interesante de este estudio es que la región de unión de S1 y los péptidos de Ang II mutantes por sí solos no pueden bloquear la interacción entre la ACE2 y la proteína S. Esta investigación abre nuevos medios para diseñar nuevas estrategias novedosas que podrían prevenir la unión de los virus a las células.

*Noticia importante

bioRxiv publica informes científicos preliminares que no son revisados ​​por pares y, por lo tanto, no deben considerarse concluyentes, guiar la práctica clínica / comportamiento relacionado con la salud o tratarse como información establecida.

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