El modelo de pico de SARS-CoV-2 / complejo ACE2 humano identifica variantes de alta afinidad que causan una mayor transmisibilidad


La pandemia de la enfermedad por coronavirus (COVID-19), causada por el síndrome respiratorio agudo severo coronavirus 2 (SARS-CoV-2), continúa propagándose por todo el mundo. El virus ha infectado a más de 165 millones de personas en todo el mundo, y de ellas, más de 3,43 millones han muerto. El SARS-CoV-2 es un virus de la especie coronavirus relacionado con el síndrome respiratorio agudo severo (SARSr-CoV). Parece tener orígenes zoonóticos y exhibe una afinidad genética cercana a los murciélagos. coronavirus.

A medida que continúa la pandemia, el SARS-CoV-2 ha evolucionado para adquirir mutaciones en el proteína de pico, la parte del virus que se adhiere a las células para infectarlas, para mejorar la capacidad del virus para unirse a las células humanas o evadir los anticuerpos. Como medida de salud pública, se necesitan métodos de cribado eficientes para determinar los efectos funcionales de las nuevas variantes de secuencia.

Investigadores de la Universidad de Nueva York demostraron que el modelado estructural de la unión de la proteína pico del SARS-CoV-2 al receptor de la enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2) humana, el paso inicial en la entrada de la célula huésped, predice muchas combinaciones de variantes novedosas con afinidades de unión mejoradas . Esto significa que el nuevo método computacional puede identificar mutaciones de alta afinidad y evaluar eficazmente las mutaciones en la proteína de pico y ACE2.

El estudio, publicado en el Revista de biología molecular, se muestra prometedor en la detección de posibles nuevas variantes que pueden causar la propagación más rápida de COVID-19. Las mutaciones y variantes recientes detectadas han provocado la rápida propagación de la infección en muchos países. Encontrar las posibles combinaciones de mutaciones puede ser una herramienta para predecir futuras y, al mismo tiempo, prevenirlas de forma temprana.

Mutación del SARS-CoV-2

En el SARS-CoV-2, la proteína de pico actúa como la clave para que el virus se una a las células humanas y entre en ellas. Varias proteínas estructurales están incrustadas en la envoltura viral. La proteína S contiene las subunidades S1 y S2. La unidad S1 tiene el dominio de unión al receptor (RBD), mientras que la S2 ancla la proteína de pico a la envoltura viral.

La mayoría de los coronavirus, incluido el SARS-CoV-2, utilizan el RBD para ingresar a las células huésped uniéndose a los receptores de la enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2) humana, estimulando la fusión entre el virus y la célula huésped. También es en la proteína de pico donde ocurren las mutaciones.

La comprensión de las mutaciones virales influirá en la forma en que los científicos evalúan las interacciones virus-huésped y desarrollan estrategias de intervención.

En los brotes virales, se producen mutaciones en el virus para evadir el sistema inmunológico. Las modificaciones recientes durante la pandemia de COVID-19 han provocado un aumento generalizado de casos. El Reino Unido, Brasil, Sudáfrica e India experimentaron un aumento vertiginoso de los casos debido a las variantes emergentes del SARS-CoV-2, lo que dificulta el éxito de la vacunación.

El análisis de las secuencias del genoma del SARS-CoV-2 sugiere miles de mutaciones, pero sus implicaciones para la salud siguen sin estar claras. Es esencial desarrollar métodos que puedan detectar de manera eficiente las mutaciones de COVID-19 que puedan servir como herramientas de vigilancia para nuevas cepas emergentes. Esto también puede ayudar a desarrollar nuevas vacunas.

Mutaciones de alta afinidad y sitios de unión de anticuerpos en Spike RBD.  (a) Estructura de WT S RBD superpuesta con tres estructuras de anticuerpos neutralizantes (C121, 7K8X; C135, 7K8Z; STE90-C11, 7B3O).  Se destacan los residuos que se predice que albergan variantes de alta afinidad y mutaciones de propagación rápida, lo que ilustra que las mutaciones en los sitios de unión de anticuerpos tienen el potencial de reducir su eficacia.  Las estructuras de los anticuerpos C135 y STE90-C11 unidos se superponen parcialmente.  (b) Escape de anticuerpos de mutaciones medido usando la fracción de escape total, es decir, la suma de todas las fracciones de escape a través de 10 anticuerpos probados usando mutagénesis profunda.  (c) Resumen de mutaciones significativas de alta afinidad en las proteínas S y hACE2 y sus implicaciones funcionales.

Mutaciones de alta afinidad y sitios de unión de anticuerpos en Spike RBD. (a) Estructura de WT S RBD superpuesta con tres anticuerpo neutralizante estructuras (C121, 7K8X; C135, 7K8Z; STE90-C11, 7B3O). Se destacan los residuos que se predice que albergan variantes de alta afinidad y mutaciones de propagación rápida, lo que ilustra que las mutaciones en los sitios de unión de anticuerpos tienen el potencial de reducir su eficacia. Las estructuras de los anticuerpos C135 y STE90-C11 unidos se superponen parcialmente. (b) Escape de anticuerpos de mutaciones medido usando la fracción de escape total, es decir, la suma de todas las fracciones de escape a través de 10 anticuerpos probados usando mutagénesis profunda. (c) Resumen de mutaciones significativas de alta afinidad en las proteínas S y hACE2 y sus implicaciones funcionales.

Detección de mutaciones

Los investigadores aplicaron un enfoque de modelado estructural para una detección más eficiente de numerosos complejos mutantes de SARS-CoV-2 S-ACE2 para llegar a los hallazgos del estudio. Ellos calcularon sus afinidades de unión que se han demostrado como una medida confiable del potencial viral para infectar las células huésped. El nuevo enfoque tiene como objetivo llenar el vacío entre el análisis basado en secuencias y la confirmación de mutaciones en el laboratorio.

El estudio también mostró que el modelado estructural de la unión de la proteína S al receptor ACE2 ayuda a predecir muchas combinaciones de variantes novedosas con afinidades de unión mejoradas.

Al centrarse en variantes naturales en la interfaz Spike-ACE2 y estudiar más de 700 complejos mutantes, los investigadores revelaron que las mutaciones de Spike de alta afinidad tienden a agruparse cerca de sitios de reconocimiento de ACE2 humanos conocidos. Al aplicar el análisis estructural a variantes altamente transmisibles, el equipo descubrió que las mutaciones puntuales circulantes, como N501Y, E484K y S477N, forman complejos de alta afinidad.

El equipo también señaló que cuando se combinan las afinidades predichas y los datos de escape de anticuerpos disponibles, las variantes de propagación rápida explotan las mutaciones combinatorias con una afinidad mejorada y resistencia a los anticuerpos. Observaron mutaciones simples, dobles y triples en la región crítica de la interfaz del pico. El análisis del modelo muestra que las variantes de pico S477N, N501Y y S477N + E484K y E484K + N501Y, los mutantes dobles de rápida propagación que se encuentran en EE. UU., Reino Unido, Brasil y Sudáfrica, han mejorado la unión al receptor ACE2.

Los resultados mostraron que las mutaciones E484K y E484Q encontradas en variantes de rápida propagación podrían unirse con más fuerza al receptor ACE2.

“Curiosamente, nuestros modelos predicen que la triple mutación K417T / E484K / N501Y, que surgió en el linaje ancestral E484K / N501Y, tiene aproximadamente la misma afinidad que WT (tipo salvaje), aunque su frecuencia está aumentando en todo el mundo”, los investigadores discutido.

Con base en los hallazgos del estudio, el equipo propuso que el modelado estructural de nuevas variantes a medida que surgen podría ayudar a predecir qué mutaciones pueden representar la mayor amenaza en medio de la actual crisis de salud global.

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