Combinatorial mosaics dissect the residue level basis of ACE2 binding divergence between SARS-CoV-2 and RaTG13
Door een combinatorische bibliotheek van RBD-mozaïeken tussen SARS-CoV-2 en RaTG13 te construeren, identificeert deze studie acht sleutelposities die de divergentie in ACE2-binding drijven en onthult dat de SARS-CoV-2-residuen Q493 en Q498, die afzonderlijk de bindingsaffiniteit verminderen, functioneel worden gecompenseerd door specifieke residuen op posities 483, 484 en 494 via sequentiecontextafhankelijkheid.
Oorspronkelijk artikel vrijgegeven aan het publieke domein onder CC0 1.0 (https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Virussen zijn meesters in adaptatie; ze vormen voortdurend hun buitenste schil om langs ons immuunsysteem te glippen of om zich aan nieuwe gastheren te hechten. De kern van dit vermogen ligt in een specifieke interactie: een eiwit op het oppervlak van het virus moet perfect passen in een receptor op een menselijke cel, net zoals een sleutel die het juiste slot vindt. Voor het virus dat COVID-1s veroorzaakt, is deze sleutel een onderdeel van zijn spike-eiwit dat het receptor-bindende domein wordt genoemd, en het slot is een menselijk eiwit genaamd ACE2. Het vermogen van het virus om aan deze receptor te binden, bepaalt hoe gemakkelijk het ons kan infecteren. Wetenschappers weten al lang dat het virus dat verantwoordelijk is voor de pandemie, SARS-CoV-2, met opmerkelijke kracht aan menselijke cellen bindt. Echter, een nauw verwant virus dat in vleermuizen is gevonden, bekend als RaTG13, bindt zeer zwak aan dezelfde menselijke receptor. De twee virussen zijn bijna identiek in hun genetische code, maar ze verschillen aanzienlijk in de specifieke regio die verantwoordelijk is voor deze binding. Begrijpen welke minuscule veranderingen in hun genetische code precies zorgen voor een dergelijk dramatisch verschil in gedrag, is cruciaal voor het voorspellen van hoe virussen in de toekomst zouden kunnen evolueren.
Om dit puzzelstuk op te lossen, besloten onderzoekers Simone Giovanetti en Meru Sadhu het probleem niet te bestuderen door de virussen te onderzoeken zoals ze in de natuur voorkomen, maar door een enorme bibliotheek van kunstmatige hybriden te bouwen. Ze richtten zich op achttien specifieke plaatsen waar de SARS-CoV-2 en RaTG13-virussen van elkaar verschillen. In de natuur reizen deze verschillen samen in vaste blokken, wat het moeilijk maakt om te bepalen welke enkele verandering verantwoordelijk is voor de sterke binding van SARS-CoV-2 en de zwakke binding van RaTG13. De wetenschappers creëerden duizenden unieke mozaïekversies van het bindingsgebied van het virus. Elk mozaïek was een lappendeken, met een willekeurige mix van de achttien verschillen, waarbij sommige plaatsen afkomstig waren van het menselijke infectieuze virus en andere van het virus uit de vleermuis. Vervolgens exposeerden ze deze mozaïeken op het oppervlak van gistcellen en maten ze hoe sterk elk exemplaar zich aan de menselijke ACE2-receptor vasthield.
De resultaten toonden aan dat het verschil in bindingssterkte niet gelijkmatig over de gehele regio verspreid was. In plaats daarvan was de kracht om stevig te binden geconcentreerd in slechts acht specifieke locaties. De meeste van deze plekken bevonden zich direct op het oppervlak waar het virus de menselijke cel raakt. Wanneer de onderzoekers de aminozuren van het vleermuisvirus op deze plekken vervingen door die van het menselijke virus, werd de binding over het algemeen sterker. Echter, het verhaal was niet eenvoudig. Twee specifieke plekken, genummerd 493 en 498, gedroegen zich op een verrassende manier. In het vleermuisvirus hielden deze plekken een rigide, ringvormig molecuul vast dat hielp bij de binding. In het menselijke virus hielden deze plekken een flexibel, polair molecuul vast dat op zichzelf de binding juist zwakker maakte. Als het menselijke virus deze twee plekken simpelweg voor de versie van het vleermuisvirus had vervangen, zou het nog beter gebonden hebben. Maar dat deed het niet.
De reden voor dit tegenintuïtieve resultaat ligt in het gezelschap dat deze plekken genieten. De onderzoekers ontdekten dat het effect van de moleculen op de plekken 493 en 498 volledig afhankelijk was van de omliggende buren. In het vleermuisvirus was de omgeving zo ingericht dat de rigide ringvormige moleculen werden ondersteund. In het menselijke virus was de omgeving op drie andere plekken veranderd. Deze veranderingen creëerden een nieuw chemisch landschap dat de flexibele moleculen bij 493 en 498 veel beter liet functioneren dan ze anders zouden hebben gedaan. Het was alsof het menselijke virus een op maat gemaakte ondersteuningsstructuur rond deze twee plekken had gebouwd, waardoor ze effectief konden functioneren ondanks dat ze individueel zwakker waren. Zonder deze specifieke achtergrond zou de versie van het menselijke virus op deze plekken een last zijn geweest.
Deze studie toont aan dat je het gedrag van een virus niet kunt begrijpen door naar de onderdelen in isolatie te kijken. De onderzoekers lieten zien dat de impact van een enkele genetische verandering kan omslaan van nuttig naar schadelijk, afhankelijk van de andere veranderingen die aanwezig zijn in hetzelfde eiwit. Door de natuurlijke combinaties van mutaties uit elkaar te halen en ze in elke mogelijke mix te testen, waren zij in staat om precies in kaart te brengen welke verschillen er het meest toe doen en hoe ze met elkaar interageren. Ze ontdekten dat hoewel een klein aantal plekken de grote verschillen in binding drijft, het volledige plaatje vereist dat men begrijpt hoe die plekken met hun buren communiceren. Deze aanpak biedt een helder, op residu gebaseerd verslag van waarom SARS-CoV-2 zo sterk aan mensen bindt terwijl zijn nauwe verwant dat niet doet, waarbij wordt benadrukt dat het pad naar een nieuwe gastheer niet alleen wordt geplaveid door individuele mutaties, maar door de complexe context waarin zij verschijnen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.