Le SRAS-CoV-2 crée des enzymes dangereuses, appelées protéases, qui aident le virus à se répliquer et désactivent également le système de messagerie du système immunitaire. Ici, l’une des principales protéases du virus, la PLpro, saisit une nouvelle molécule destinée à ralentir la PLpro. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
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Une molécule équipée de crochets capables de saisir et de désactiver l’encombrante protéase du virus présente un potentiel prometteur dans la lutte contre les infections.
Des scientifiques ont mis au point une molécule capable d’atténuer les effets nocifs d’un composant particulièrement puissant du SRAS-CoV-2 – une enzyme appelée protéase qui perturbe la communication du système immunitaire et facilite la réplication virale.
Bien qu’il reste encore de nombreuses étapes à franchir avant que cette découverte ne devienne un médicament viable, les scientifiques peuvent commencer à imaginer à quoi pourrait ressembler ce médicament, grâce à de nouvelles images de la molécule liée à la protéase.
« Nous recherchons une molécule efficace comme celle-ci depuis un certain temps », a déclaré Suman Pokhrel, étudiant diplômé en biologie chimique et systémique à l’université de Stanford et l’un des principaux auteurs de l’article. « C’est vraiment passionnant de faire partie de l’équipe qui a fait cette découverte, qui nous permet de commencer à imaginer un nouveau médicament antiviral pour traiter le COVID-19 ».
Pour voir la structure atomique de la molécule saisie par la protéase, les chercheurs ont soumis un échantillon cristallin des deux à des rayons X brillants générés par le Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie. Ces rayons X ont révélé comment la molécule se lie à la protéase. L’équipe du SLAC, de Stanford, du laboratoire national Oak Ridge du ministère de l’énergie et d’autres institutions ont récemment publié leurs résultats dans Nature Communications.
« Nous avons conçu des molécules et utilisé des approches informatiques pour prédire comment elles interagiraient avec l’enzyme », a déclaré Jerry Parks, scientifique principal à l’ORNL et chef du projet. « Les scientifiques de l’ORNL et les collaborateurs des universités et de l’industrie ont testé les molécules expérimentalement pour confirmer leur efficacité. Les membres de l’équipe du SLAC ont ensuite résolu la structure cristalline, confirmant nos prédictions, ce qui est important pour continuer à améliorer la molécule.
Une protéase qui glisse
Une fois que le SARS-CoV-2 a infecté une cellule, le virus détourne la machinerie de l’hôte et commence à produire des polyprotéines, qui sont de longues chaînes de protéines reliées entre elles. Mais ces polyprotéines doivent être coupées en petits morceaux pour que le virus puisse infecter d’autres personnes.
Pour découper les polyprotéines, le virus fait appel à deux protéases primaires, Mpro et PLpro, qui coupent les chaînes de protéines. Mais ces protéases ont un double rôle à jouer : elles se nourrissent également d’autres protéines utiles dont le système immunitaire a besoin pour communiquer.
« Actuellement, nous disposons d’un médicament antiviral, le Paxlovid, pour arrêter la Mpro, mais nous n’avons rien pour arrêter la PLpro », explique Irimpan Mathews, scientifique principal au SSRL et co-auteur de l’étude. « Si nous développons un médicament comme le Paxlovid capable d’arrêter la PLpro, nous serons en très bonne position pour traiter le virus après l’infection.
La PLpro a été plus difficile à cerner pour les scientifiques car elle est très flexible et possède un sillon étroit, contrairement à la Mpro. Cette forme est plus difficile à cristalliser, et les informations tirées des échantillons de cristaux sont vitales pour la conception des médicaments modernes.
« Sans échantillon de cristal, nous ne pourrions pas obtenir une image claire de la PLpro », explique M. Pokhrel. « Et si vous ne savez pas à quoi ressemble la PLpro, il est très difficile de créer des médicaments pour l’arrêter. On peut essayer de concevoir un médicament à l’aveugle, mais c’est beaucoup plus difficile que si l’on sait à quoi il ressemble », a-t-il ajouté.
Pour faire croître le cristal, les chercheurs ont fait preuve de beaucoup de patience, de persévérance et de chance, a déclaré le coauteur principal Soichi Wakatsuki, professeur au SLAC et à Stanford.
« La cristallisation de la protéase et de la molécule a constitué une véritable percée dans ce domaine », a déclaré Wakatsuki. « Nous pouvons maintenant continuer à modifier la molécule pour qu’elle se lie encore mieux à la PLpro.
La forme unique de la PLpro signifiait également que les chercheurs avaient besoin d’une molécule adaptée à son sillon étroit. Pour créer une telle molécule, l’équipe est partie d’un composé existant, appelé GRL0617. Elle a ensuite élargi la molécule pour y inclure une partie mince coiffée d’un groupe chimique qui peut réagir avec la protéine pour former une liaison permanente. En envisageant plusieurs extensions, les chercheurs de l’ORNL ont transformé la molécule originale en une forme capable de s’accrocher plus étroitement à la PLpro – et les chercheurs travaillent encore à l’amélioration de leur conception.
« Nous avons pris un composé existant et l’avons modifié pour qu’il se lie plus fortement à la PLpro », explique Brian Sanders, chimiste à l’ORNL et auteur principal. « Nous essayons maintenant de créer des composés encore meilleurs qui peuvent être pris sous forme de pilule et qui sont plus résistants à la dégradation dans le corps.
Conception des futurs antiviraux
Bien que la nouvelle molécule ait ralenti l’activité de coupe des protéines de la PLpro, les chercheurs doivent encore répondre à quelques questions importantes avant que leurs résultats ne se transforment en un nouveau médicament antiviral. Par exemple, ils doivent s’assurer qu’un tel médicament n’interfère pas avec d’autres protéines bénéfiques de notre corps qui ressemblent à la PLpro.
« Il existe de nombreuses protéines dans notre corps qui ont des fonctions similaires à celles de la PLpro. Nous devons donc veiller à ne pas bloquer ces protéines », a déclaré Manat Kaur, étudiante de premier cycle à Stanford et stagiaire dans le cadre du projet de recherche. « Lorsque l’on commence à réfléchir à ce défi, on se rend compte du nombre de couches de complexité qu’il y a dans cet effort.
Néanmoins, les résultats ont rendu l’équipe plus confiante dans sa capacité à concevoir des médicaments pour d’autres virus à l’avenir, grâce aux processus de recherche qu’elle a mis au point en étudiant le PLpro. Par exemple, ils ont mis en place une collaboration efficace avec des experts d’autres laboratoires nationaux du DOE et d’universités pour développer la molécule. Cet effort de collaboration pourrait les aider à appliquer leur stratégie – identifier un nouveau prototype ou prendre une molécule prototype connue, comprendre comment elle se lie à une cible et la modifier pour la rendre plus efficace – à de futurs virus.
« La molécule que nous utilisons pour attaquer le PLpro ne fonctionnera peut-être pas sur d’autres virus, mais les processus que nous avons mis au point sont inestimables », a déclaré M. Pokhrel. « Cette approche pourrait être utilisée pour fabriquer des médicaments antiviraux afin d’arrêter la prochaine génération d’épidémies.
Référence : « Potent and selective covalent inhibition of the papain-like protease from SARS-CoV-2 » par Brian C. Sanders, Suman Pokhrel, Audrey D. Labbe, Irimpan I. Mathews, Connor J. Cooper, Russell B. Davidson, Gwyndalyn Phillips, Kevin L. Weiss, Qiu Zhang, Hugh O’Neill, Manat Kaur, Jurgen G. Schmidt, Walter Reichard, Surekha Surendranathan, Jyothi Parvathareddy, Lexi Phillips, Christopher Rainville, David E. Sterner, Desigan Kumaran, Babak Andi, Gyorgy Babnigg, Nigel W. Moriarty, Paul D. Adams, Andrzej Joachimiak, Brett L. Hurst, Suresh Kumar, Tauseef R. Butt, Colleen B. Jonsson, Lori Ferrins, Soichi Wakatsuki, Stephanie Galanie, Martha S. Head et Jerry M. Parks, 28 mars 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-37254-w
Cette recherche a été soutenue par le National Virtual Biotechnology Laboratory, un groupe de laboratoires nationaux du ministère de l’énergie qui s’est concentré sur la réponse à la pandémie de COVID-19 avec un financement fourni par le Coronavirus CARES Act, ainsi que par l’Office of Science, l’Office of Basic Energy Sciences et l’Office of Biological and Environmental Research du ministère de l’énergie. Un soutien supplémentaire a été apporté par les National Institutes of Health, National Institute of General Medical Sciences. Le SSRL est un centre d’utilisateurs de l’Office of Science.