A rational design strategy and validation for protease-resistant fusion-inhibitor antiviral peptides

Les virus qui s'enveloppent dans une membrane grasse, appelés virus enveloppés, doivent fusionner leur couche externe avec une cellule humaine pour provoquer une infection. Pour ce faire, ils utilisent une clé moléculaire appelée protéine de pointe (spike), qui subit un changement de forme spectaculaire pour verrouiller le virus et la cellule ensemble. Les scientifiques savent depuis longtemps qu'ils pourraient potentiellement stopper ce processus en créant un leurre : un court fragment de protéine qui imite une partie de la propre clé du virus. Ce leurre se lierait à la protéine de pointe, bloquant le mécanisme et empêchant le virus d'entrer dans la cellule. Bien que cette stratégie fonctionne bien dans un tube à essai, elle a historiquement échoué en tant que médicament car le corps humain est rempli d'enzymes qui agissent comme des ciseaux moléculaires, découpant ces leurres protéiques avant qu'ils ne puissent faire leur travail.

Une équipe de chercheurs a maintenant trouvé un moyen de déjouer ces ciseaux. Ils ont découvert que l'enzyme même que le virus utilise pour déverrouiller les cellules est aussi celle qui détruit les protéines leurres. En étudiant les endroits spécifiques où cette enzyme coupe, ils ont redessiné les protéines leurres pour les rendre invisibles aux ciseaux tout en conservant leur capacité à bloquer le verrou viral. Lors de tests sur des cellules vivantes et chez des souris, ces nouveaux leurres plus robustes sont restés actifs beaucoup plus longtemps que les versions originales, offrant une voie prometteuse vers un traitement préventif sûr qui pourrait être administré avant qu'une personne ne soit exposée au virus.

L'histoire commence avec un type spécifique de virus, le SARS-CoV-2, qui cause la COVID-19. Comme beaucoup d'autres virus, il repose sur une protéine de pointe pour franchir les défenses des cellules humaines. À l'intérieur du virus, il existe une région appelée répétition heptade 2, ou HR2, qui est cruciale pour le processus de fusion. Les scientifiques ont précédemment tenté d'utiliser un court fragment de cette région HR2 comme médicament. L'idée était que ce fragment flotterait et se lierait à la propre région HR2 du virus, lui liant ainsi les mains pour qu'il ne puisse pas fusionner avec la cellule. Cependant, dans le corps, ces courts morceaux de protéines sont fragiles. Les chercheurs soupçonnaient qu'une enzyme spécifique dans les voies respiratoires humaines, appelée TMPRSS2, était responsable de la destruction de ces protéines leurres. Cette enzyme est essentielle pour que le virus entre dans les cellules, car elle coupe la protéine de pointe pour l'activer. L'équipe a émis l'hypothèse que cette même enzyme découpait également les protéines leurres thérapeutiques, les rendant inutiles.

Pour tester cela, les chercheurs ont pris les protéines leurres originales et les ont exposées à l'enzyme TMPRSS2 dans une boîte de Pétri. En moins d'une heure, l'enzyme avait complètement découpé les leurres en morceaux. Lorsqu'ils ont testé ces fragments découpés dans une expérience de fusion cellulaire, ils ont constaté que les fragments avaient perdu toute capacité à arrêter le virus. Cela a confirmé que l'enzyme était bien le coupable de l'échec des leurres. L'étape suivante consistait à découvrir exactement où l'enzyme coupait. En utilisant une technique qui identifie la composition chimique des molécules, ils ont localisé trois points spécifiques sur les protéines leurres où l'enzyme effectuait ses coupes. Ces points étaient riches en blocs de construction basiques des protéines, que l'enzyme cible spécifiquement.

Armés de cette connaissance, l'équipe s'est lancée dans le redessin des leurres. Ils devaient modifier les trois points de coupe pour que l'enzyme ne les reconnaisse plus, mais ils devaient faire attention à ne pas modifier la forme du leurre au point qu'il ne puisse plus se lier au virus. Pour résoudre ce problème, ils ont utilisé deux stratégies différentes pour trouver les meilleurs remplacements. Premièrement, ils ont créé une immense bibliothèque de millions de versions légèrement différentes du leurre et ont testé lesquelles se liaient toujours fermement à la cible du virus. Deuxièmement, ils ont examiné les registres génétiques des variants du SARS-CoV-2 trouvés dans la nature pour voir quels changements s'étaient déjà produits sans briser le virus. En combinant ces deux approches, ils ont identifié trois nouvelles versions de la protéine leurre qui étaient résistantes à l'enzyme tout en restant efficaces pour la liaison.

Les chercheurs ont ensuite synthétisé ces trois nouvelles protéines et les ont testées. Ils ont confirmé que l'enzyme ne pouvait plus les couper. Dans des expériences cellulaires, les trois nouveaux leurres ont réussi à empêcher le virus de fusionner avec les cellules, même en présence de l'enzyme. Une version, que les chercheurs ont nommée HR2-NHN, a été la plus performante. Pour comprendre pourquoi cette version spécifique fonctionnait si bien, l'équipe a utilisé une technique d'imagerie puissante appelée cryo-microscopie électronique pour prendre une image 3D détaillée du leurre lié à sa cible. Ils ont découvert que, bien qu'une des modifications apportées ait supprimé une forte attraction électrique entre le leurre et le virus, elle avait créé une nouvelle connexion stable qui les maintenait ensemble tout aussi fermement. Cette compréhension structurelle expliquait pourquoi le nouveau leurre était si puissant.

Le véritable test a eu lieu lorsque les chercheurs sont passés des boîtes de culture aux animaux vivants. Ils ont utilisé des souris sensibles à un variant du SARS-CoV-2. Lors de ces expériences, ils ont administré le leurre original et le nouveau leurre plus robuste, HR2-NHN, à différents moments avant d'infecter les souris avec le virus. Lorsqu'ils étaient administrés juste avant l'infection, les deux versions fonctionnaient bien. Cependant, lorsque les chercheurs ont attendu douze heures avant d'infecter les souris, le leurre original avait perdu la majeure partie de son efficacité. Le nouveau leurre HR2-NHN, en revanche, est resté hautement efficace. Il a continué à protéger les souris même lorsqu'il était administré une journée entière avant l'introduction du virus. Dans une expérience distincte, ils ont mesuré combien de temps les leurres restaient actifs dans les poumons des souris. L'effet protecteur du leurre original s'est dissipé avec une demi-vie d'environ huit heures, tandis que le nouveau leurre a duré onze heures. Cette différence signifiait que le nouveau leurre pouvait prévenir l'infection pendant une fenêtre de temps nettement plus longue.

L'étude a également examiné les performances de ces leurres contre différentes souches du virus, y compris le variant Omicron. Bien que le nouveau leurre soit légèrement moins efficace contre Omicron que contre la souche originale, il reste plus performant que l'ancien leurre. Les chercheurs ont noté que les modifications apportées au leurre pourraient l'aider à entrer plus efficacement dans les cellules ou à résister à d'autres enzymes présentes à l'intérieur de la cellule, ce qui pourrait expliquer cette résilience supplémentaire. Ce travail démontre qu'il est possible de créer un antiviral à base de protéines qui ne nécessite pas de modifications chimiques complexes pour survivre dans le corps. En changeant simplement quelques lettres du code de la protéine pour éviter les ciseaux naturels du corps, les chercheurs ont créé un candidat médicament qui est plus stable et plus durable.

Cette approche offre une nouvelle façon de penser la lutte contre les infections virales. Au lieu de compter sur des revêtements chimiques coûteux pour protéger un médicament, les scientifiques peuvent désormais utiliser les propres faiblesses du virus et l'environnement naturel du corps pour concevoir de meilleurs médicaments. Le succès de cette stratégie avec le SARS-CoV-2 suggère qu'elle pourrait être appliquée à d'autres virus dangereux utilisant des mécanismes de fusion similaires, tels qu'Ebola, Nipah et le VIH. Les chercheurs envisagent un avenir où un simple spray nasal contenant ces protéines redessinées pourrait être utilisé comme mesure préventive, protégeant les gens avant qu'ils ne soient exposés à un virus ou aidant à stopper une infection dans ses premières étapes. Les résultats fournissent un plan clair et pratique pour transformer des fragments de protéines fragiles en outils robustes et salvateurs.