La arquitectura molecular del coronavirus SARS-CoV-2

Por Francisco R. Villatoro, el 27 septiembre, 2020. Categoría(s): Biología • Bioquímica • Ciencia • Noticias • Química • Science • Virología ✎ 6

La criomicroscopia electrónica permite estudiar en detalle la estructura tridimensional de un virus, como el coronavirus SARS-CoV-2 (eso sí, en un laboratorio BSL-3). Se publican en Cell los resultados obtenidos al estudiar 2294 viriones recolectados el 22 de enero de 2020 de un paciente de Wuhan (China). Al microscopio los viriones tienen forma de elipsoide con tres ejes de diámetros 64.8 ± 11.8, 85.9 ± 9.4 y 96.6 ± 11.8 nm (nanómetros); por cierto, los viriones fueron inactivados con paraformaldehído al 3 % durante 48 horas a 4 °C. Los viriones de SARS-CoV-2 tienen 26 ± 15 espículas (los de SARS-CoV tienen ~50–100 espículas) con una inclinación entre 40° ± 20° respecto al vector normal a la superficie. También se ha observado la ribonucleoproteína N que compacta el ARN en el interior del virión, aunque con menor resolución. Sin lugar a dudas un gran paso para comprender la estructura molecular del enemigo público número uno.

Se han obtenido imágenes de 56 832 espículas; cada una está formada por un trímero de glicoproteínas S con un peso molecular de ~600 kDa (kilodalton) estando N-glicosilada con 66 glicanos. El ARN de ~30 kb (kilobasses) está compactado mediante proteínas N o ribonucleoproteínas (RNP); se han obtenido imágenes de 18 500 RNP observándose 26 ± 11 RNP en cada virión; se sabe que entre un 20–30 % adicional no es observable, así se estima que hay unas 30–35 RNP por virión. Los detalles de su estructura son pobres pero se observa que seis parejas de proteínas N, cada par formando como una L, se agrupan en un hexámero con forma de letra G invertida en el que se enrolla el ARN vírico. Quedan muchos detalles por desvelar y se necesitan futuros estudios para cuantificarlos con objeto de usarlos como dianas terapéuticas.

Las imágenes del artículo me parecen espectaculares y fascinantes. Te recomiendo ojear y disfrutar de Hangping Yao, Yutong Song, …, Sai Li, «Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus,» Cell (14 Sep 2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.018, bioRxiv preprint 192104 (09 Jul 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.07.08.192104. Al final de esta pieza menciono Shan Lu, Qiaozhen Ye, …, Kevin D. Corbett, «The SARS-CoV-2 Nucleocapsid phosphoprotein forms mutually exclusive condensates with RNA and the membrane-associated M protein,» bioRxiv preprint 228023 (31 Jul 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.07.30.228023, y Jasmine Cubuk, Jhullian J. Alston, …, Alex S. Holehouse, «The SARS-CoV-2 nucleocapsid protein is dynamic, disordered, and phase separates with RNA,» bioRxiv preprint 158121, doi: https://doi.org/10.1101/2020.06.17.158121.

[PS 14 oct 2020] Recomiendo leer a Carl Zimmer, «The Coronavirus Unveiled: An atom-by-atom model of the coronavirus,» The New York Times, 09 Oct 2020.

Por cierto, en los comentarios, Paco, destaca los siguientes artículos recientes que serán de interés para todos los lectores de esta pieza: Beata Turoňová, Mateusz Sikora, …, Martin Beck, «In situ structural analysis of SARS-CoV-2 spike reveals flexibility mediated by three hinges,» Science 370: 203-208 (09 Oct 2020), doi: https://doi.org/10.1126/science.abd5223, bioRxiv preprint doi: https://doi.org/10.1101/2020.06.26.173476 (26 Jun 2020); Christian J.A. Sigrist, Alan Bridge, Philippe Le Mercier, «A potential role for integrins in host cell entry by SARS-CoV-2,»  Antiviral Research
Volume 177: 104759 (01 Mar 2020), dio: https://doi.org/10.1016/j.antiviral.2020.104759; So Young Kim, Weihua Jin, …, Robert J. Linhardt, «Comments (1)Glycosaminoglycan binding motif at S1/S2 proteolytic cleavage site on spike glycoprotein may facilitate novel coronavirus (SARS-CoV-2) host cell entry,» bioRxiv preprint (15 Apr 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.04.14.041459. [/PS]

Fuente: Cell (2020) doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.018

Las espículas pueden estar en dos estados llamados cerrado y abierto (closed y open), aunque en este artículo se llaman abajo y arriba (down y up), resp.; para la unión al receptor ACE2 humano se requiere el estado abierto (o arriba). Las imágenes por criomicroscopia electrónica estiman que el 54 % de las espículas están en estado cerrado (o abajo). Además, muestran que las espículas no se distribuyen de forma perpendicular a la membrana del coronavirus (como se suele dibujar en muchas figuras divulgativas), sino que se distribuyen con un ángulo medio 40°±20° relativo al eje normal a la membrana.

Fuente: Cell (2020) doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.018

Lo más interesante del nuevo artículo son las primeras imágenes por criomicroscopia electrónica de la distribución de proteínas N dentro del virión (aunque su resolución solo alcanza ~13 Å, cuando la de la proteína espicular alcanza ~8 Å). Los dímeros de proteínas N forman una estructura con forma de letra L que se agrupa en una estructura mayor que desde una vista transversal tiene la forma de una letra G invertida con un diámetro de 15 nm y desde una vista lateral tiene una altura de 16 nm. Estas estructuras multiméricas se agrupan en dos formas o clases, la clase 1 llamada «hexón» con una estructura de hexágono parecido a los «huevos en un nido» cuyo lado es de 18 nm y la clase 2 llamada «tetraedro» con una estructura de «pirámide» con un lado de 18 nm. Los autores indican que este modelo debe ser tomado con cautela, pues se sabe muy poco de estas estructuras en otros coronavirus y la resolución alcanzada es bastante limitada. Futuros estudios tendrán que discernir si estas son las únicas posibilidades.

Fuente: Cell (2020) doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.018

Se ha propuesto un modelo para el enrollado del ARN en los dímeros en forma de letra L de las ribonucleoproteínas (RNP). Esta figura muestra la propuesta, que tendrá que ser confirmada con futuros estudios. En el artículo no se ofrecen muchos detalles, quizás porque los propios datos no los ofrecen. Tampoco se propone ningún modelo para la síntesis de estas estructuras (que podría estar mediada por el propio ARN, por las proteínas transmembrana M o E, por las RNP, o incluso por una combinación de todas ellas).

Fuente: bioRxiv (2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.07.30.228023

Se ha publicado en bioRxiv una propuesta para la empaquetamiento del ARN gracias a la proteína N y su recubrimiento por la membrana gracias a la unión de algunas proteínas N con la proteína M de membrana. La proteína N (o RNP) está compuesta por dos dominios bien conservados, un domino N-terminal que la une al ARN y un dominio C-terminal que la une con otra proteína N (formando un dímero) o con la proteína M (uniéndose a la membrana); ambos dominios se encuentran entre tres regiones intrínsecamente desordenadas (IDR), llamadas IDR N-terminal (aa 1–48), IDR central (aa 175–246) e IDR C-terminal (aa 365–419), como muestra la figura, arriba; el IDR central está formado por una región rica en serina/arginina (aa 175–205) seguida de una región rica en leucina/glutamina (aa 210–246).

El complejo proteína N con ARN viral (vRNP, por viral RNA-N-protein) está formado por ~800 nt (nucleótidos) del ARN del coronavirus (30 kb se dividen en ~38 vRNP) enrollados alrededor de ~12 copias de la proteína N («hexón»). La parte de abajo de la figura ilustra el modelo de empaquetamiento que pasa por una fase de condensación tipo gel (con enrollado del ARN) y otra de formación de brotes (budding) para el recubrimiento con la membrana (con unión a la proteína M). Los experimentos in vitro realizados (truncando diferentes regiones de la proteína N) indican que el IDR central tiene un rol fundamental en la separación de las tres fases observadas: N+RNA, N+M y N+M+RNA.

Fuente: bioRxiv (2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.06.17.158121

Simulaciones por dinámica molecular en otro artículo publicado en bioRxiv también parecen apoyar esta hipótesis. Aún así, queda mucho trabajo de investigación para entender cómo se forman los viroides en la célula hospedadora infectada. Entender este proceso en detalle permitirá desarrollar antivirales eficaces que inhiban este proceso capital. En particular parece prometedor interferir en las rutas de señalización que dan inicio a este proceso de empaquetamiento del ARN. Habrá que estar atentos a los progresos en este apasionante campo.



6 Comentarios

  1. En un día tan señalado como el de hoy, en que tras casi nueve meses de pandemia se ha alcanzado -y seguramente superado- la simbólica cifra de un millón de personas fallecidas en el mundo a causa de este virus, este artículo me resulta admirable y disonante a partes iguales. Describe lo que sin duda es un gran logro científico, pero veo su aplicación en la práctica clínica todavía muy lejana. Con todo, no queda otra que seguir. Y en este sentido mi personal y modesta aportación, tal vez equivocada, es matizar algo sobre la espicula del Sars-CoV-2. La detallada descripción de su disposición precisa, con su ángulo exacto de inclinación con respecto a la superficie viral, parece hacer suponer que se trate de una estructura rígida, cuando más bien -y si la memoria de lo leído no me falla-, la espícula en cuestión tiene un comportamiento que goza de cierta flexibilidad. La región más culminante de la estructura, cuyo aspecto remeda la copa de un arbusto, sería el RBD con capacidad de fijación a ACE2. Pero en sus flancos, y no muy lejos, tenemos un motivo de unión a integrinas tipo RGD a un lado, y una secuencia polibásica, formando un bucle, PRRARS -un típico motivo de fijación a glicanos tipo heparán de la forma XBBXBX-, al otro. En su movimiento de balanceo, la espícula podría oscilar entre una fijación a integrinas y otra a glicanos, antes de anclarse al receptor ACE2 y entrar en la célula. Así, este virus tendría un comportamiento a la vez muy contagioso – a través de integrinas y glicanos de nasofaringe- y muy invasivo – a través de la ACE2 en neumocitos del tipo 2 en los alveolos pulmonares-. Una fatídica combinación de resfriado común y SARS. No hay quien de más.

  2. Flipo con el nivel, Maribel. Que buen articulo y que buenos comentarios. Voy a arriesgarme a meter la pata. Un epitope es lo mismo que que determinante antigénico, según he leído hay 1372 aminácidos formando esa maldita spike protein que podría ser el nudo gordiano de éste embrollo. ¿Cuantos epitopes tiene dicha s protein?

    Según Paco hay 5-6 aminoácidos muy esenciales ar que haya una alta afinidad al RBD. Mi estúpìda pregunta es.
    ¿ Las vacunas de Moderna y Pfizer van orientadas a sintetizar anticuerpos contra esa S protein? ( con una dosis o dos de 100 micrgramos de mRNA. ¿Es correcto?

    1. Por alusiones, y sin que sirva de precedente, voy a intentar responderte.
      1. Efectivamente, epitope y determinante antigénico son sinónimos.
      2. La proteína S del Sars-CoV-2 tiene 1273 aminoácidos en una secuencia consenso, supongo que incluyendo el péptido señal. Como los virus RNA van en cuasiespecies, véte tú a saber si hay algunos con más y otros con menos.
      3. No tengo ni idea de cuántos ni cuales son los epitopes de esta proteína. Por si acaso, con la vacunación se trata de cubrir con una respuesta inmune global a la mayoría de ellos.
      4. Las vacunas que citas son una innovación histórica. Se trata de introducir el RNA codificante de la proteína S, convenientemente envuelto en una protección lipídica para aislarlo de las enzimas que pueden degradarlo antes de llegar a su destino, y que, una vez alcance las células, sean éstas las que traduzcan ese RNA en la proteína en cuestión. En un segundo paso, el sistema inmune ha de reconocerla como extraña, pese a haber sido elaborada por el propio organismo al que ha de proteger, y elaborar una respuesta decuada tanto de anticuerpos como de linfocitos T contra ella y, lógicamente, contra el virus que la porte en su superficie en su estado silvestre y que pueda haber invadido el sistema.
      5. La pauta de administración y muchos más detalles están muy bien explicados en YouTube, en el blog del doctor Veller, bajo el epigrafe «vacuna covid». Creo que es ameno e instructivo.Que lo disfrutes.

    1. Respecto a la flexibilidad de las espículas del coronavirus: Turoňová B et al. «In situ structural analysis of Sars-cov-2 spike reveals flexibility mediated by three hinges».Science, agosto 2020.

      Respecto a la posible fijación a integrinas mediante el motivo RGD: Sigrist CJA et al. «A potential role for integrins in host cell entry by Sars-cov-2». Antiviral Research, marzo 2020.

      Respecto a la posible fijación por glicanos: Kim SY et al. «Glycosaminoglycan binding motif at S1/S2 proteolytic cleavage site on spike glycoprotein may facilitate novel coronavirus (SARS-CoV-2) host cell entry». BioRxib, abril 2020.

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