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Aug 04, 2023

사스

커뮤니케이션 생물학 볼륨

커뮤니케이션 생물학 5권, 기사 번호: 1170(2022) 이 기사 인용

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SARS-CoV-2 바이러스 외피에서 튀어나온 삼량체 스파이크(S) 당단백질은 인간 ACE2에 결합하며, 적어도 하나의 프로토머의 수용체 결합 도메인(RBD)이 "아래"(폐쇄)에서 "위"로 전환되면서 시작됩니다. "(열림) 상태입니다. 여기에서는 글리칸이 있거나 없는 이러한 전이를 조사하기 위해 천 개가 넘는 창과 총 160μs의 시뮬레이션을 사용하여 대규모 분자 역학 시뮬레이션과 2차원 복제본 교환 우산 샘플링 계산을 사용했습니다. 우리는 글리코실화된 스파이크가 개방에 대한 더 높은 장벽을 가지며 또한 에너지적으로 업 상태보다 다운 상태를 선호한다는 것을 발견했습니다. S-단백질 개방 경로를 분석하면 N165와 N122의 글리칸이 업 상태에서 RBD와 N 말단 도메인 사이의 수소 결합을 방해하는 반면, N165와 N343의 글리칸은 다운 상태와 업 상태를 모두 안정화할 수 있음이 밝혀졌습니다. 마지막으로, 우리는 여러 알려진 항체에 대한 에피토프 노출이 개방 경로를 따라 어떻게 변화하는지 추정합니다. 우리는 BD-368-2 항체의 에피토프가 지속적으로 노출되어 높은 효능을 설명합니다.

SARS-CoV-2 코로나바이러스로 인한 COVID-19 대유행은 전 세계적으로 빠르게 확산되어 세계 보건과 경제에 전례 없는 해로운 영향을 미쳤습니다1. 여러 백신2, 단일클론항체 치료제3, 치료제4의 급속한 개발로 현재의 바이러스 발생이 완화되었습니다. 그러나 현재 지배적인 Omicron 하위 계통5을 포함한 변종의 지속적인 위협과 향후 코로나바이러스 발생 가능성6을 고려하면 인식, 결합, 감염 및 면역 반응을 포함한 바이러스 수명 주기에 대한 철저한 이해가 필요합니다.

SARS-CoV-2 감염은 숙주 세포 안지오텐신 전환 효소 2(ACE2) 수용체를 인식하고 이에 결합함으로써 시작됩니다7,8. 이 과정은 SARS-CoV-2 비리온 표면에서 튀어나온 동종삼합체 클래스 I 융합 당단백질인 SARS-CoV-2 스파이크(S) 단백질에 의해 매개됩니다. 2020년 초에 S 단백질 서열이 공개되고 관련 베타코로나바이러스에 대한 초기 구조 연구와 결합되어 용해되고 융합 전 안정화된 S 단백질 엑토도메인 구조9,10,11뿐만 아니라 전장 스파이크12 및 12의 구조가 신속하게 결정되었습니다. 온전한 virions13. 각 프로토머는 다염기성 푸린 절단 부위로 분리된 S1 및 S2 하위 단위로 구성됩니다. S1은 수용체 결합 도메인(RBD)을 포함하고 숙주 세포 인식을 중재하는 반면, S2는 바이러스 진입에 필요한 막 융합 기계로 구성됩니다7. S 단백질은 RBD 및 N-말단 도메인(NTD)14,15,16,17을 포함하여 인간 면역 체계의 표적이 되는 여러 에피토프를 가진 주요 항원 표적입니다. 재조합 RBD는 또한 SARS-CoV-218에 대한 잠재적 진입 억제제로 제안되었습니다. 더욱이, S 단백질의 글리코실화는 숙주 면역계 반응으로부터 바이러스를 가리고 보호하는 데 도움이 됩니다19,20,21. S 단백질은 RBD 잔기 S438에서 Q50622로 구성되는 RBM(수용체 결합 모티프)을 노출시키는 힌지형 동작을 통해 일시적으로 상호 변환되는 하향 및 상향 형태 상태를 특징으로 합니다. RBM은 다운 S 단백질의 프로토머 간 경계면에 묻혀 있습니다. 따라서 ACE2에 대한 바인딩은 다운 상태와 업 상태 사이의 확률론적 상호 변환에 의존합니다.

저온전자현미경(cryo-EM) 연구를 통해 위쪽 및 아래쪽 구조 상태에 대한 자세한 구조 정보가 밝혀졌습니다. 그러나 이러한 상승/하강 상태의 역학과 이들 사이의 상호 변환을 조사한 연구는 상대적으로 적습니다. 예를 들어, 단일 분자 FRET는 S-단백질 전이의 확률론적 특성을 입증하는 데 사용되었으며, 보고된 시간 척도는 밀리초에서 초 단위입니다. 참고로, 이후의 단일 분자 FRET 연구에서는 돌연변이 스파이크 단백질에 대한 변경된 하향 전이 동역학이 발견되었습니다. 분자 역학(MD) 시뮬레이션은 S-단백질 개방 역학을 특성화하는 데 필요한 아래쪽과 위쪽 사이의 중간 상태에 대한 원자 수준 설명을 제공하여 이러한 실험 연구를 보완합니다. MD 시뮬레이션은 다운 및 업 상태 모두에 대한 구조적 안정성과 글리코실화의 역할뿐만 아니라 잔기 간 상호 작용 및 ACE220,21,26,27,28,29에 대한 결합 세부 사항에 대한 자세한 정보를 공개했습니다. 조정된 MD와 타겟 MD를 사용하여 결정된 개방 경로가 보고되었습니다29,30,31. 또한 Folding@home33과 결합된 가중 앙상블32 및 특정 특성의 변동 증폭(FAST) 적응형 샘플링과 같은 향상된 샘플링 기술을 사용한 광범위한 시뮬레이션은 S 단백질 개방을 위한 여러 경로에 대한 세부 정보를 제공했습니다. 더욱이, 바이러스 결합 및 진입에 필요한 이러한 구조적 전환의 에너지 환경 특징이 나타나기 시작했습니다27,30,31,34. 여기에는 극저온-EM 데이터와 MD 시뮬레이션의 조합이 포함됩니다. 다운 및 업 상태35,36.