Les deux visages de Spike

Le SARS-CoV-2 appartient à la famille des Beta-coronavirus. Sur les 7 virus de cette famille infectant les hommes, deux ont déjà été responsables d’épidémies et sont relativement proches du SARS-CoV-2 (SARS-CoV-1 et MERS-CoV), les autres sont des virus saisonniers responsables d’infections respiratoires. Le SARS-CoV-2 est un virus enveloppé, avec un génome ARN à simple brin (un des plus grands génomes parmi les virus ARN).

A la surface du virus se trouve la protéine Spike (S), composant-clef et principale cible des vaccins en cours de développement. Cette protéine virale de surface, impliquée dans la liaison et l’entrée dans la cellule, comporte des domaines flexibles et mobiles qui permettent d’importants changements de conformation. Entre les parties mobiles on trouve des points d’ancrage plutôt fixes dans leur conformation. Avant la fusion avec la membrane cellulaire, les protéines S forment des trimères en forme de couronnes. Chaque protéine S est composée de 2 domaines (S1 et S2), délimités par un site de clivage reconnu par la protéase cellulaire Furine (SD2), c’est-à-dire que la Furine peut couper S en 2, formant alors les domaines S1 et S2. Le domaine S1 comprend notamment une région particulière qui se lie au récepteur cellulaire ACE2 et qui est appelée RBD (Récepteur Binding Domain). Le domaine S2 comporte un deuxième site de clivage (S2’), et également un peptide fusion, permettant la fusion des membranes virales et cellulaire pour l’entrée de la particule virale dans la cellule. Ce domaine S2 est soumis à d’importants changements de conformation lors du clivage de son site S2’ par la protéase cellulaire TMPRSS2, présente à la surface des cellules endothéliales.

Bien que le taux de mutation du génome du SARS-CoV-2 soit très bas, comparé à d’autres virus ARN, on constate l’émergence régulière de variants présentant des mutations, notamment dans la protéine Spike. C’est le cas de la mutation D614G (l’acide aspartique devient une glycine en position 614) qui est devenu rapidement, depuis l’été 2020, un variant majoritaire à travers le monde. Mais également des variants appelés « anglais » et « sud-africain » qui ont été récemment identifiés.

Pour étudier la conformation de la protéine S des chercheurs de Durham, aux USA, ont obtenu par génie génétique, des formes solubles des mutants étudiés (D614 et G614). Cette modification de la protéine permet de la maintenir dans une conformation de pré-fusion et de bloquer la transition conformationnelle vers la forme post-fusion. L’impact de la mutation D614G sur la structure du domaine S1 a tout d’abord été analysé en utilisant la cryomicroscopie électronique. Cette technique, permet d’étudier la structure des protéines et a confirmé que la mutation D614G est située dans une région structurale clef. Deux populations de protéines S ont pu être identifiées : une conformation qui rend accessible le domaine RBD pour la liaison au récepteur cellulaire ACE2, et une conformation rendant inaccessible le domaine RBD. On a observé que la mutation D614G modifie le ratio de ces deux conformations. Cela démontre qu’une seule mutation dans cette région peut se traduire par des modifications importantes dans la structure et la conformation de la protéine.

La mutation du résidu acide aspartique en glycine modifie donc l’équilibre observé entre les conformations de la protéine S (RBD accessible ou non accessible). La proximité de cette mutation avec le domaine de clivage SD2 séparant les domaines S1 et S2 a poussé les scientifiques à examiner l’effet de cette mutation sur le clivage de la protéine. Les résultats indiqueraient que la mutation D614G augmente la probabilité que la protéase cellulaire clive la jonction S1/S2. Cela pourrait impliquer alors une augmentation de la réplication et de la transmissibilité du virus. Les scientifiques ont également montré que des changements dans le domaine S2 peuvent fortement impacter la conformation du domaine RBD.