Ingénierie d’agents antiviraux par résonance plasmonique de surface

Summary

Le présent protocole décrit de nouveaux outils pour les tests de liaison SPR afin d’examiner la liaison CV-N à l’HA, à la glycoprotéine S, aux glycanes de type hybride apparentés et aux oligosaccharides à haute teneur en mannose. SPR est utilisé pour déterminer le K_D pour lier le CV-N dimérique ou monomère à ces glycanes.

Abstract

La résonance plasmonique de surface (SPR) est utilisée pour mesurer la liaison de l’hémagglutinine (HA) au dimère de cyanovirine-N (CV-N) interverti et pour surveiller les interactions entre les peptides mannosylés et le site de liaison à haute affinité de CV-N. Il a été rapporté que les pics d’enveloppe virale gp120, HA et la glycoprotéine Ebola (GP) 1,2 se lient aux sites de liaison à haute et à faible affinité sur le CVN2 dimérique. Le peptide HA dimannosylé est également lié aux deux sites de liaison de faible affinité à une molécule modifiée de CVN2, qui porte un site de haute affinité pour le ligand respectif et mutée pour remplacer une liaison disulfure stabilisatrice dans la poche de liaison aux glucides, confirmant ainsi la liaison multivalente. La liaison de l’HA est démontrée à un site de liaison à haute affinité du pseudo-anticorps CVN2 à une constante de dissociation (K_D) de 275 nM qui neutralise davantage le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) par oligomérisation. La corrélation du nombre de ponts disulfure dans CVN2 permuté de domaine, qui sont diminués de 4 à 2 en substituant les cystines en paires de résidus polaires d’acide glutamique et d’arginine, entraîne une affinité de liaison réduite à l’HA. Parmi les interactions les plus fortes, Ebola GP1,2 est lié par CVN2 avec deux sites de liaison de haute affinité dans la gamme nanomolaire inférieure utilisant le glycane d’enveloppe sans domaine transmembranaire. Dans la présente étude, la liaison de la glycoprotéine de pointe (S) monomère multispécifique au coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2) est mesurée à K D = 18,6 μM par rapport à la nanomolaire K_D à ces autres pointes virales, et via son domaine de liaison au récepteur dans la gamme molaire moyenne μ.

Introduction

L’activité antivirale associée à la tetherine est induite par l’interféron-α, et elle comprend des attaches à base de protéines, qui conduisent à la rétention de virions entièrement formés sur les surfaces cellulaires infectées¹. La nécessité de la glycosylation de l’attache dans l’inhibition de la libération du virus demeure incertaine, ce qui implique l’importance des profils de glycosylation sur les glycanes exprimés par recombinaison pour les études in vitro ^1,2, qui dépend de la conformation (dans le cas du virus de la grippe) de l’hémagglutinine HA ^3,4 de la grippe exprimée en surface . Il a été noté que la modification de l’oligosaccharide attaché à la glycosylation liée à l’azote est suffisante pour la restriction médiée par l’attache de la libération 2 du VIH de type¹, tandis que la dimérisation joue un rôle essentiel dans la prévention de la libération du virus, impliquant ainsi le domaine transmembranaire ou l’ancrage du glycosyl-phosphatidyl-inositol (GPI) pour attacher les virions en herbe⁵ . Des caractéristiques uniques sont décrites pour l’attachement humain et murin afin de bloquer plusieurs virus, rétrovirus et filovirus enveloppés. BST-2/tetherin est une protéine antivirale inductible par l’interféron de l’immunité innée^1,6, agissant avec une activité antivirale à large spectre et est antagonisée par les glycoprotéines d’enveloppe⁵ pour translocaliser l’attache ou perturber la structure de la tetherin ⁶. Par exemple, la glycoprotéine HA et la neuraminidase de l’enveloppe exprimée en surface sur le virus de la grippe A sont bien connues pour l’antagonisme de la tetherine d’une manière spécifique à la souche⁷, facilitant la reconnaissance des sites de liaison aux récepteurs de l’hôte⁸. Les anticorps ciblant les glycanes sont étudiés dans la stœchiométrie de leurs interactions avec les boucliers glycanes à personnalisation rapide sur l’HA, ce qui entraîne une affinité de liaison avec les sous-types 4 H3N2 et H1N1 de la grippe^A.

Pour élucider les mécanismes de liaison entre les agents antiviraux et les pics d’enveloppe virale, c’est-à-dire les ligands glucidiques, et les méthodes immunologiques et spectroscopiques complémentaires, les fractions mono-, di- et tri-mannose sont synthétisées chimiquement. Les peptides mannosylés sont créés par glycosylation azido de glycosyl {bêta}-peracétates en 1,2-trans glycosyl azoture^{transformation 9}, imitant la N-acétyl glucosamine et les oligosaccharides à haute teneur en mannose à la surface de virus potentiellement mortels. Les bioisostères triazolés sont utilisés pour imiter les liaisons qui forment le résidu mannosylé du peptide HA¹⁰ et faciliter les interactions spécifiques au site avec les dérivés antiviraux CV-N autour de la deuxième tache de glycosylation liée à l’azote sur le domaine de la tête HA (sommet HA avec 4 glycanes N54, N97, N181, N301)8,11,12 . Les interactions entre l’acide glutamique (Glu) et l’arginine (Arg) et le dipôle hélicoïdal qui en résulte ont manifesté une bonne stabilité des peptides et des protéines modèles, mais sont visualisées à l’aide de SPR. Si on compare à la reconnaissance d’un seul site de glycosylation synthétisé chimiquement sur HA¹⁰ en inhibant directement la liaison du récepteur sur les fractions glycanes, une affinité plus élevée d’une structure Fc mutée à quatre sites avec son récepteur est démontrée pour provoquer des fonctions effectrices in vivo, révélant que la composition non apparentée des glycanes liés à l’azote attachés au mutant Fc doit être déterminée mécaniquement¹³.

CV-N affiche une activité antivirale contre le VIH 14,15, la grippe¹⁶ et le virus Ebola, qui est médiée par la liaison nanomolaire aux modifications oligosaccharidiques à haute teneur en mannose sur les protéines de pointe d’enveloppe^12,17,18,19. Il est déterminé que l’HA de la grippe se liant à un site de liaison aux glucides (H) de haute affinité dans le CV-N ou à deux Hs dans le CVN2 dimérique lié par covalence présente des constantes de dissociation à l’équilibre (K D) = 5,7 nM (figure 1A) et K_D = 2,7 nM, respectivement. CV-N et CVN2 abritent tous deux un ou deux autres sites de liaison aux glucides de faible affinité (L)s 12,17,20,21. Ebola GP1,2 se lie à 2H de CVN2 avec des affinités dans la gamme nanomolaire inférieure (K_D = 26 nM). La liaison CV-N Wt à Ebola GP1,2 et HA présente des affinités de K D = 34 nM à K_D = 5,7 nM (A/New York/55/04)¹². Les lectines, telles que CV-N, qui ciblent spécifiquement les glycanes à haut niveau de mannose sur les enveloppes virales, inhibent davantage la réplication du virus de l’hépatite C, du SRAS-CoV, de l’herpèsvirus, du virus Marburg et du virus de la rougeole²².

La petite molécule CV-N a été étudiée en profondeur pendant plus de 20 ans car elle se fonctionnalise pour se lier à un large éventail de virus afin d’inhiber l’entrée virale^16,18. Les analyses structurales et les tests d’affinité de liaison indiquent la réticulation de deux L dans un dimère CVN2 permuté par domaine par liaison bivalente dans la gamme micromolaire pour améliorer l’avidité des glycoprotéines de l’enveloppe virale^10,19. La liaison sélective de Manα1-2Manα sur les bras Man(8) D1D3 et Man(9) comprend deux sites de liaison d’affinités différentes situés sur des protomères protéiques opposés²⁰, atteignant ainsi des affinités de liaison nanomolaire (Figure 1B). Ainsi, CVN2 est considéré comme un pseudo-anticorps concernant son application pour lier les épitopes sur le VIH gp120, similaire aux anticorps neutralisant le virus¹⁷. Ici, l’auteur s’intéresse à l’étude de la liaison potentielle de CVN2 au pic SARS-CoV-2 via son domaine de liaison au récepteur (RBD). Les courbes de liaison de l’enzyme de conversion de l’angiotensine humaine (ECA)-2 immobilisée avec le RBD du SRAS-CoV-2 donnent K_D = 4,7 nM pour cette interaction de liaison biologiquement pertinente²³.

En revanche, certaines classes d’immunoglobulines reconnaissent des schémas protéiques structuraux spécifiques et cohérents, qui confèrent un substrat pour la maturation d’affinité dans les régions HA ancrées dans la membrane²⁴. CV-N montre une activité très puissante dans presque tous les virus grippaux A et B¹⁶, et c’est un agent antiviral largement neutralisant. Nos connaissances sont incomplètes sur la localisation des épitopes ciblés sur la tige de HA1 et HA2 qui impliquent éventuellement des structures épitopiques pour le ciblage des glycanes par des anticorps hautement neutralisants et par rapport à la liaison à la lectine²⁵.

Figure 1 : Représentation schématique du test de liaison SPR pour les pics CV-N aux pics d’enveloppe virale. (A) Dosage SPR pour la liaison CV-N au ligand: protéine pleine longueur HA (90 kDa). Ensemble de données cinétiques (5120, 2560, 1280, 640, 320, 160, 80, 40, 20, 10, 5, 2,5, 0 nM) montrant une liaison en temps réel à double référence à l’HA de la grippe A/New-York/55/04 (H3N2). (B) Liaison de la variante V2 de la variante CVN2L0 au ligand DM immobilisé dans une plage de concentration comprise entre 500 nM et 16 μM. Séquence: Les résidus L sont surlignés en jaune. Les résidus H sont surlignés en gris. E58 et R73 remplacent les cystéines dans la protéine de type sauvage et font de V2 un repliement protéique stable avec trois liaisons disulfure au lieu de quatre Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Alors que le bouclier glycane sur la partie supérieure HA distale de la membrane induit une liaison de haute affinité à CV-N 12, la liaison CVN2 à HA adjacente à un pont disulfure de la partie supérieure HA a également été observée à ses sites de faible affinité^10,12. Diverses interactions polaires et sites d’interaction sont identifiés dans la liaison aux glucides par CV-N. Ces interactions sont vérifiées en générant des variantes knock-out dans le site de liaison pour corréler les affinités de liaison à la glycosylation in silico prédite¹². Ainsi, le projet vise à comparer des peptides HA chimiquement mannosylés précédemment testés en affinité et spécificité de liaison avec de courtes séquences peptidiques provenant de pics 2019-nCoV liés au SRAS et du SARS-CoV-2, naturellement modifiés par un petit nombre de sites de glycosylation liés à l’N différents et glycosylation liée à O. En utilisant la cryo-microscopie électronique et les tests de liaison, Pinto et ses collègues rapportent un anticorps monoclonal, S309, qui reconnaît potentiellement un épitope sur la protéine de pointe du SRAS-CoV-2 contenant un glycane conservé dans le sous-genre Sarbecovirus, sans entrer en compétition avec la fixation du récepteur²⁶. Le protocole de cette étude décrit comment la conception, l’expression et la caractérisation des variantes CV-N sont importantes pour étudier comment CV-N et CVN2 se lient aux protéines glycosylées et aux peptides mannosylés synthétiques à l’aide de la technologie SPR^10,12.

Les variantes de dimères liés en tandem CVN2L0²⁷ et de site de liaison (V2-V5) sont exprimées de manière recombinante et les variantes sont avec des remplacements de liaison disulfure (C58E et C73R) (Figure 2A). En outre, un mutant avec une mutation ponctuelle unique E41A est préparé parce que cette position a été vue comme un résidu de contact intermoléculaire croisé. Ce mutant est une autre molécule intéressante pour les mesures de liaison SPR entre la lectine et les oligosaccharides à haut mannose, déchiffrant les domaines de liaison et permettant la comparaison avec la forme dimérique. La structure cristalline permutée de domaine de CVN2 montre un linker flexible, qui s’étend entre 49 et 54 résidus. Les deux domaines peuvent continuer à se déplacer autour de la charnière en tant que corps rigides, développant soit un monomère par des interactions de domaine intramoléculaire (domaine A -résidus 1-39;90-101- avec le domaine B -résidus 40-89) soit un dimère par échange de domaine intermoléculaire [domaine A (du premier monomère) avec le domaine B (du second), et domaine B (du premier monomère) avec le domaine A (de la deuxième copie)]. Il n’y a pas d’interactions étroites entre les domaines A et B des deux protomères, à l’exception de Glu41²⁸. Le gène CV-N peut être développé à l’aide d’une méthode de PCR répétitive avec des oligos synthétisés 40-mer²⁹ et est ensuite sous-cloné dans les sites NdeI et BamHI de pET11a pour la transformation (électroporation) en cellules électrocompétentes comme décrit par Keeffe, J.R.27. La protéine, qui est utilisée pour obtenir la structure cristalline respective (PDB ID 3S3Y), comprend une étiquette de purification N-terminale 6-histidine suivie d’un site de clivage de la protéase du facteur Xa. La mutagénèse dirigée est utilisée pour effectuer des mutations ponctuelles, changer de codon, et insérer ou supprimer des bases ou des codons simples ou multiples pour l’échange d’acides aminés. Ces transformations fournissent des informations inestimables sur la fonction et la structure des protéines. Les CV-N, CVN2 et CVN3 exprimés et purifiés par recombinaison ont été biophysiquement bien étudiés^20,21,27, sont peu coûteux à produire et sont donc utilisés pour caractériser les tests de liaison aux glycanes immobilisés sur les puces de capteur SPR. Le test immuno-enzymatique conventionnel (ELISA) fournit moins de reproductibilité en ce qui concerne la technique d’immobilisation des ligands glycanes et transforme la liaison en temps réel de diverses variantes de site de liaison, qui est montrée pour SPR, en tests finaux.

La variante d’affinité de liaison CVN2L0-V2 (un pli intact de CV-N homodimérique avec une substitution de pont disulfure¹⁰) est exprimée avec un His-tag chez Escherichia coli (E. coli), purifiée sur colonne Ni-NTA en appliquant une chromatographie d’affinité et testée pour la liaison à HA (H3N2), peptide HA monomannosylé et peptide HA dimannosylé à l’aide de SPR. Les peptides chimiquement mannosylés, ou protéines HA et S, sont tous des ligands et des amines couplés à la surface de la puce hydrophile via des esters réactifs ou l’ingénierie des protéines biotine-streptavidine. La même procédure d’essais séquentiels est appliquée à ces ligands, en injectant diverses dilutions de CV-N et de variantes de CV-N (et CVN2) pour obtenir des informations cinétiques pour les analyses d’interaction moléculaire décrites ci-dessous³⁰. La puce de capteur SPR immobilisée par RBD est utilisée pour les études de liaison sur les peptides CV-N à S, et les affinités sont comparées à la liaison du SARS-CoV-2 avec l’ACE2 humain.

Protocol

Pour la présente étude, une protéine de fusion SUMO (modificateur de type ubiquitine) à petite ubiquitine CVN a été utilisée dans des tests immuno-enzymatiques au lieu de CV-N et convient aux tests cellulaires. La protéine HA H3 recombinante du virus de la grippe A pleine longueur est obtenue commercialement (voir le tableau des matières) ou exprimée dans des lignées cellulaires HEK293 de mammifères et des cellules d’insectes infectées par le baculovirus selon les protocoles standard<sup c…

Representative Results

Une molécule CVN2L0 dimérique échangée de domaine est testée pour se lier à la région supérieure HA dans trois expériences SPR distinctes et l’affinité de liaison est présentée en valeurs KD. Le domaine B est supposé comprendre les sites de liaison H, qui sont affectés par le remplacement d’une liaison disulfure en résidus ioniques, et le domaine A forme L10,18. Les injections simples de CVN2L0 et les variantes V2 (trois ponts disulf…

Discussion

L’affinité de liaison de CV-N est corrélée avec le nombre de sites de liaison fonctionnels [2H sur les domaines B et 2L sur le(s) domaine(s) A lorsqu’ils sont conçus comme dimères permutés de domaine]. Une variante avec une affinité de liaison altérée (CVN2L0-V2, un pli stable homodimérique de CV-N comprenant un pont disulfure) est exprimée dans E. coli, purifiée et testée positivement pour la liaison à la protéine HA (H3N2) en utilisant SPR¹⁰, et montre un changement c…

Materials

Äkta primeplus	Cytiva
Amicon tubes	Merck	C7715
Ampillicin	Sigma-Aldrich	A5354
Beckmann Coulter Cooler Allegra X-30R centrifuge	Beckman Coulter	B06320
Cell spreader	Sigma-Aldrich	HS86655	silver stainless steel, bar L 33 mm
Custom DNA Oligos	Sigma-Aldrich	OLIGO
Custom Gensynthesis	GenScript	#1390661	cloning vector: pET27b(+)
Cytiva HBS-EP+ Buffer 10, 4x50mL	Thermo Scientific	50-105-5354
Dionex UlitMate 3000	Thermo Scientific	IQLAAAGABHFAPBMBFB
Dpn I restriction enzyme (10 U/μL)	Fisher Scientific	ER1701
DTT	Merck	DTT-RO
EDC	Merck	39391
EDTA	Merck	E9884
Eppendorf Safe-Lock Tubes	Eppendorf	30120086
Eppendorf Safe-Lock Tubes	Eppendorf	30120094
Eppendorf Minispin and MiniSpin Plus personal microcentrifuge	Sigma-Aldrich	Z606235
Ethanol	Merck	51976
Ethanolamine HCl	Merck	E6133
Falcon 50mL Conical Centrifuge Tubes	Fisher Scientific	14-432-22
Falcon 14 mL Round Bottom Polystyrene Test Tube, with Snap Cap, Sterile, 25/Pack	Corning	352057
Glucose	Merck	G8270
Glycine HCl	Merck	55097
HA H3 protein	Abcam	ab69751
HEPES	Merck	H3375
His-select Ni2+	Merck	H0537
Imidazole	Merck	I2399
IPTG	Merck	I6758
Kanamycin A	Sigma-Aldrich	K1377
Kromasil 300-5-C4	Nouryon
LB agar	Merck	52062
LB agar	Merck	19344
LB Lennox	Merck	L3022
Lysozyme	Merck	10837059001
Magnesium chloride	Merck	M8266
Magnesium sulfate	Merck	M7506
NaH2P04	Merck	S0751
NanoDrop UV-Vis2000c spectrophotometer	Thermo Scientific	ND2000CLAPTOP
NaOH	Merck	S5881
NHS	Merck	130672
NZ amine (casein hydrolysate)	Merck	C0626
PBS	Merck	806552
PD MidiTrap G-10	Sigma-Aldrich	GE28-9180-11
Peptone	Merck	70171
pET11a	Merck Millipore (Novagen)	69436
PMSF	Merck	PMSF-RO
QIAprep Spin Miniprep Kit (1000)	Qiagen	27106X4
Reichert Software Package Autolink1-1-9	Reichert
Reichert SPR SR7500DC Dual Channel System	Reichert
Scrubber2-2012-09-04 for data analysis	Reichert
SDS	Merck	11667289001
Site-directed mutagenesis kit incl pUC18 control plasmid	Stratagene	#200518
Sodim chloride	Merck	S9888
Sodium acetate.Trihydrate	Merck	236500
SPR sensor chip C19RBDHC30M	XanTec bioanalytics	SCR C19RBDHC30M
SPR sensor chip CMD500D	XanTec bioanalytics	SCR CMD500D
Sterilin Standard 90mm Petri Dishes	Thermo Scientific	101R20
TBS	Merck	T5912	10x, solution
Triton-X100	Merck	T8787
Tryptone	Merck	93657
Tween20	Merck	P1379
Vortex-Genie 2 Mixer	Merck	Z258423
X-gal	Merck	XGAL-RO
XL1-Blue Supercompetent Cells	Stratagene	#200236
Yeast extract	Merck	Y1625