El nuevo modelo a nivel atómico ayuda a explicar cómo el SARS-CoV-2 causa un daño pulmonar extenso



Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han publicado el primer modelo detallado a nivel atómico de la proteína de la “envoltura” del SARS-CoV-2 unida a una proteína humana esencial para mantener el revestimiento de los pulmones. El modelo que muestra cómo interactúan las dos proteínas, recién publicado en la revista Nature Communications, ayuda a explicar cómo el virus podría causar un daño pulmonar extenso y escapar de los pulmones para infectar otros órganos en pacientes con COVID-19 especialmente vulnerables. Los hallazgos pueden acelerar la búsqueda de medicamentos para bloquear los efectos más graves de la enfermedad.

“Al obtener detalles a nivel atómico de las interacciones de las proteínas, podemos explicar por qué ocurre el daño y buscar inhibidores que puedan bloquear específicamente estas interacciones”, dijo el autor principal del estudio, Qun Liu, biólogo estructural del Brookhaven Lab. “Si podemos encontrar inhibidores, entonces el virus no causará tanto daño. Eso puede dar a las personas con problemas de salud una oportunidad mucho mayor para que su sistema inmunológico combata el virus con éxito”.

Los científicos descubrieron los detalles y desarrollaron el modelo molecular utilizando uno de los nuevos microscopios crioelectrónicos en el Laboratorio de Estructura BioMolecular de Brookhaven Lab (LBMS [https://www.bnl.gov/cryo-EM/]), una nueva instalación de investigación construida con fondos del estado de Nueva York adyacente a la fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven (NSLS-II [https://www.bnl.gov/nsls2/about-NSLS-II.php]).

“LBMS abrió el verano pasado [https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=117344] antes de lo previsto debido a su importancia en la batalla contra COVID-19 “, dijo Sean McSweeney, director de LBMS y coautor del artículo.” LBMS y NSLS-II ofrecen técnicas complementarias de obtención de imágenes de proteínas y ambos desempeñan un papel importante en el desciframiento los detalles de las proteínas involucradas en COVID-19. Este es el primer artículo publicado basado en los resultados de la nueva instalación “.

Liguo Wang, director de operaciones científicas de LBMS y otro coautor del artículo, explicó que “la microscopía crioelectrónica (cryo-EM) es particularmente útil para estudiar proteínas de membrana y complejos de proteínas dinámicas, que pueden ser difíciles de cristalizar para la cristalografía de proteínas, otro técnica común para estudiar las estructuras de las proteínas. Con esta técnica creamos un mapa en 3D a partir del cual pudimos ver cómo encajan los componentes de las proteínas individuales “.

“Sin crio-EM, no podríamos haber obtenido una estructura para capturar las interacciones dinámicas entre estas proteínas”, dijo Liu.

Desencadenamiento de la alteración pulmonar

La proteína de la envoltura del SARS-CoV-2 (E), que se encuentra en la membrana externa del virus junto con la ahora infame proteína de pico de coronavirus, ayuda a ensamblar nuevas partículas de virus dentro de las células infectadas. Los estudios publicados a principios de la pandemia de COVID-19 mostraron que también juega un papel crucial en el secuestro de proteínas humanas para facilitar la liberación y transmisión del virus. Los científicos plantean la hipótesis de que lo hace uniéndose a las proteínas de unión de células humanas, alejándolas de su trabajo habitual de mantener las uniones entre las células pulmonares bien selladas.

“Esa interacción puede ser buena para el virus y muy mala para los humanos, especialmente los pacientes ancianos con COVID-19 y aquellos con afecciones médicas preexistentes”, dijo Liu.

Cuando se interrumpen las uniones de las células pulmonares, las células inmunitarias entran para tratar de reparar el daño, liberando pequeñas proteínas llamadas citocinas. Esta respuesta inmune puede empeorar las cosas al desencadenar una inflamación masiva, lo que provoca el llamado “tormenta de citoquinas“y el posterior síndrome de dificultad respiratoria aguda.

Además, debido a que el daño debilita las conexiones célula-célula, podría facilitar que los virus escapen de los pulmones y viajen a través del torrente sanguíneo para infectar otros órganos, incluidos el hígado, los riñones y los vasos sanguíneos.

“En este escenario, la mayor parte del daño ocurriría en pacientes con más virus y más proteínas E producidas”, dijo Liu. Y esto podría convertirse en un círculo vicioso: más virus que producen más proteínas E y más proteínas de unión celular son eliminadas, causando más daño, más transmisión y más virus nuevamente. Además, cualquier daño existente, como la cicatrización de las células pulmonares, probablemente dificultaría que los pacientes con COVID se recuperen del daño.

“Es por eso que queríamos estudiar esta interacción, para comprender los detalles a nivel atómico de cómo E interactúa con una de estas proteínas humanas para aprender cómo interrumpir las interacciones y reducir o bloquear estos efectos severos”, dijo Liu.

De motas a manchas, de mapas a modelos

Los científicos obtuvieron detalles a nivel atómico de la interacción entre E y una proteína de unión de células pulmonares humanas llamada PALS1 mezclando las dos proteínas, congelando la muestra rápidamente y luego estudiando la muestra congelada con el crio-EM. Los microscopios electrónicos utilizan electrones de alta energía para interactuar con la muestra de la misma forma que los microscopios ópticos normales utilizan haces de luz. Pero los electrones permiten a los científicos ver cosas a una escala mucho menor debido a su longitud de onda extremadamente corta (100.000 veces más corta que la de la luz visible).

Las primeras imágenes no parecían mucho más que motas. Pero las técnicas de procesamiento de imágenes permitieron al equipo seleccionar puntos que eran complejos reales de las dos proteínas.

“Usamos promedios bidimensionales y comenzamos a ver algunas características estructurales que se comparten entre estas partículas. Nuestras imágenes mostraron el complejo desde diferentes orientaciones pero con una resolución bastante baja”, dijo Liu. “Luego usamos herramientas e infraestructura de computación en la Iniciativa de Ciencia Computacional de Brookhaven [https://www.bnl.gov/compsci/] para realizar reconstrucciones tridimensionales. Éstos nos dan un modelo 3-D, un mapa experimental de la estructura “.

Con una resolución general de 3,65 Angstroms (el tamaño de unos pocos átomos), el mapa tenía suficiente información sobre las características únicas de los aminoácidos individuales que componen las dos proteínas para que los científicos encajen las estructuras conocidas de esos aminoácidos en el mapa.

“Podemos ver cómo la cadena de aminoácidos que forma la proteína PALS1 se pliega para formar tres componentes estructurales, o dominios, y cómo la cadena de aminoácidos mucho más pequeña que forma la proteína E encaja en un bolsillo hidrofóbico entre dos de ellos. dominios “, dijo Liu.

El modelo proporciona tanto los detalles estructurales como una comprensión de las fuerzas intermoleculares que permiten que las proteínas E en las profundidades de una célula infectada saquen PALS1 de su lugar en el límite exterior de la célula.

“Ahora podemos explicar cómo las interacciones extraen PALS1 de la unión de células pulmonares humanas y contribuyen al daño”, dijo Liu.

Implicaciones para las drogas y la evolución

“Esta estructura proporciona la base para que nuestros colegas de ciencias computacionales realicen estudios de acoplamiento y simulaciones de dinámica molecular para buscar fármacos o moléculas similares a fármacos que puedan bloquear la interacción”, dijo John Shanklin, presidente del Departamento de Biología de Brookhaven Lab. [https://www.bnl.gov/biosciences/] y coautor del artículo. “Y si identifican pistas prometedoras, tenemos la capacidad analítica para examinar rápidamente esos fármacos candidatos para identificar los que podrían ser clave para prevenir las consecuencias graves del COVID-19”.

Comprender la dinámica de esta interacción de proteínas también ayudará a los científicos a rastrear cómo evolucionan virus como el SARS-CoV-2.

“Cuando la proteína del virus saca PALS1 de la unión celular, podría ayudar a que el virus se propague más fácilmente. Eso proporcionaría una ventaja selectiva para el virus. Es probable que cualquier rasgo que aumente la supervivencia, propagación o liberación del virus sea retenido “, dijo Liu.

Cuanto más tiempo continúe circulando el virus, más posibilidades hay de que surjan nuevas ventajas evolutivas.

“Esta es una razón más por la que es tan esencial para nosotros identificar e implementar terapias prometedoras”, dijo Liu. “Además de prevenir las infecciones más graves, los medicamentos que tratan eficazmente el COVID-19 nos mantendrán por delante de estas mutaciones”.

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