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Étude des complexes protéine-ARN du SARS-CoV-2
Les interactions entre les protéines et l’ARN sont importantes pour la survie et la pathogénicité du SARS-CoV-2. En combinant deux techniques de biologie structurale, nous avons étudié ces interactions en utilisant la protéine de la nucléocapside comme exemple et démontré comment ces interactions peuvent être ciblées pour la découverte de médicaments.
Contexte
Au début de la pandémie, de nombreux aspects des interactions entre les protéines et l'ARN dans les coronavirus étaient inconnus. Une meilleure compréhension de ces interactions permet de comprendre des aspects fondamentaux de la biologie du virus et ouvre de nouvelles possibilités d'interventions thérapeutiques. Sur la base d'une technologie développée précédemment, nous avons entrepris d'étudier les interactions protéine-ARN dans le SARS-CoV-2, en utilisant comme cibles la protéine de la nucléocapside (N) et la protéine non structurale 3 (Nsp3).
Objectifs
Nous voulions étudier les interactions protéine-ARN entre deux protéines virales importantes (N et Nsp3) et leurs ARN correspondants. Les sites de liaison dans ces complexes protéine-ARN seraient localisés et des modèles des complexes seraient construits. Ensuite, des composés (précurseurs de médicaments, appelés fragments) seront identifiés qui se lient aux régions d'interaction et interfèrent donc spécifiquement avec la liaison entre les partenaires.
Résultats
La protéine de la nucléocapside a été la cible principale tout au long de notre projet. Nous avons combiné les techniques de spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) et de réticulation avec la lumière ultraviolette couplée à la spectrométrie de masse (XL-MS) pour étudier l'interaction de la protéine N avec l'une de ses régions cibles dans le génome viral, l'élément s2m. Deux parties différentes de la protéine N (domaines protéiques) connues pour lier l'ARN ont été étudiées séparément et des modèles des deux domaines en complexe avec s2m ont été générés. Avec ces modèles en main, nous avons procédé à l'identification de fragments de médicaments qui se lient aux régions d'interaction des domaines de la protéine N et du s2m, respectivement. La spectroscopie RMN a permis d'identifier ces composés candidats parmi un ensemble de plus de 600 fragments, révélant des structures chimiques de base qui pourraient être développées à l'avenir pour accroître la force de la liaison et améliorer les propriétés pharmacologiques. En collaboration avec des partenaires du PNR 78, nous essayons actuellement d'obtenir des structures des domaines protéiques et de l'ARN en complexe avec ces fragments de médicaments par cristallographie aux rayons X.
Les connaissances en matière de recherche sur le SARS-CoV-2 ont évolué rapidement. L'un des nouveaux résultats obtenus par d'autres groupes de recherche est que la protéine de la nucléocapside subit un processus appelé séparation de phase liquide-liquide (LLPS). La séparation de phase liquide-liquide entraîne la formation de deux phases liquides à partir d'une solution, généralement sous la forme de gouttelettes plus denses dans un liquide environnant. Dans le contexte du coronavirus, ces processus devraient être importants pour l'empaquetage du génome ARN à l'intérieur du virus et pour la réplication virale dans l'organisme hôte. Sur la base de ces nouvelles découvertes, nous avons également décidé d'étudier les processus LLPS impliquant la protéine N. Les premiers résultats obtenus dans le cadre de ce projet ont révélé les conditions dans lesquelles les gouttelettes se forment et se dissolvent à nouveau, ainsi que les changements structurels qui se produisent dans la protéine et l'ARN en interaction lors de la transition d'une phase unique à un état à phases séparées.
En ce qui concerne notre deuxième cible, Nsp3, nous avons réalisé des expériences préliminaires pour identifier les régions de liaison à l'ARN avec des ARN modèles. Il s'est avéré plus difficile de développer des modèles de la même manière que pour Nsp3. Cependant, comme il est apparu que Nsp3 interagit également avec la protéine N, nous avons entrepris d'autres expériences qui relient les deux protéines cibles à la liaison à l'ARN.
Contribution à la lutte contre la pandémie actuelle
Nous avons pu démontrer la validité de notre approche - cibler les interactions protéine-ARN - en générant avec succès des structures de complexes et en identifiant de petites molécules qui se lient aux cibles. Notre approche intéressera les sociétés pharmaceutiques en tant que moyen alternatif de développer des médicaments antiviraux. En outre, l'intérêt pour les LLPS croît rapidement et offre une autre direction pour le développement de médicaments en interférant avec les mécanismes biologiques qui impliquent une séparation de phase.
Titre original
Rapid Hybrid Structure Determination of Coronavirus Protein-RNA Complexes as a Basis for Drug Screening for the Treatment of COVID-19