SARS-CoV-2 Spike Protein Reseptör-Bağlanma Bölgesindeki Aminoasit Değişimlerinin Yapısal Analizi

SARS-CoV-2 spike proteininde, bu yeni ortaya çıkan virüsün enfeksiyöz özelliğindeki artışı açıklayabilecek birçok aminoasit değişimi mevcuttur. Bu nedenle, bu çalışmada, söz konusu aminoasit değişimlerinin protein yapısı ve fonksiyonu üzerin - deki potansiyel etkisinin değerlendirilmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla, gelişmiş teknoloji ürünü bilişimsel araçlar kullanılarak protein benzerliği, 2D ve 3D yapı, ligand bağlanması ve biyolojik fonksiyon üzerine in siliko analizler yapılmıştır. Bu aminoasit değişimlerinden bazılarının iki- ve üç-boyutlu protein yapısında önemli değişimlere neden olduğu ve spike proteini reseptör- bağlanma bölgesi (RBB) ile ACE2 ve diğer ligandlar arasındaki etkileşimi değiştirebileceği belirlenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada sunulan veriler SARS-CoV-2 virüsüne yönelik halihazırda sahip olduğumuz bilgi dağarcığına önemli bir katkı sağla - yarak; virüsün moleküler farklılıklarının, enfeksiyon mekanizmasının ve konak hücrede etkilediği hücresel süreçlerin daha iyi anlaşılması ile daha etkili tedavi ve aşıların geliştirilebilmesine yardımcı olacaktır.

Structural Analysis of Novel Amino Acid Substitutions in SARS-CoV-2 Spike Protein Receptor-Binding Domain

T here are several novel amino acid substitutions in SARS-CoV-2 spike protein, which could account for the increased infec- tivity of this newly emerged virus. Therefore, in this paper we aimed to evaluate the potential effects of these amino acid substitutions on protein structure and function. For this purpose, we made use of several state-of-the-art computational tools and performed in silico analyses on protein similarity, 2D and 3D structure, ligand binding and biological function. We found that some of the novel amino acid changes caused significant structural alterations both at the secondary and terti - ary structure level, possibly affecting the interaction between the spike protein receptor-binding domain (RBD) and ACE2, as well as other ligands. In conclusion, data we provided here is a significant contribution to our current knowledge of the SARS-CoV-2 virus and will aid in having a better understanding of its molecular differences, mechanism of infection and the cellular processes it affects in the host in order to develop better therapies and vaccines.

PDF

___

1. Q. Li, X. Guan, P. Wu, X. Wang, L. Zhou, Y. Tong et al, Early transmission dynamics in Wuhan, China, of novel coronavirus-infected pneumonia, N. Engl. J Med., 382(2020) 1199-1207.
2. P.S. Masters, The molecular biology of coronaviruses, Adv. Virus Res., 66 (2006) 193-292.
3. C. Drosten, S. Günther, W. Preiser, S. van der Werf, H.R. Brodt, S. Becker et al, Identification of a novel coronavirus associated with severe acute respiratory syndrome, N. Engl. J. Med., 348 (2003) 1967-1976.
4. J. Zheng, SARS-CoV-2: an emerging coronavirus that causes a global threat, Int. J. Biol. Sci., 16 (2020) 1678-1685.
5. D.E. Gordon, G.M. Jang, M. Bouhaddou, J. Xu, K. Obernier, K.M. White et al, A SARS-CoV-2 protein interaction map reveals targets for drug repurposing [published online ahead of print]. Nature. (2020) doi:10.1038/s41586-020- 2286-9.
6. H. Zhang, J.M. Penninger, Y. Li, N. Zhong, A.S. Slutsky. Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) as a SARS-CoV-2 receptor: molecular mechanisms and potential therapeutic target, Intensive Care Med., 46 (2020) 586-590.
7. G. Simmons, P. Zmora, S. Gierer, A. Heurich, S. Pöhlmann, Proteolytic activation of the SARS-coronavirus spike protein: cutting enzymes at the cutting edge of antiviral research, Antiviral Res., 100 (2013) 605-614.
8. J. Lan, J. Ge, J. Yu, S. Shan, H. Zhou, S. Fan, et al, Crystal structure of the 2019-nCoVspike receptor-binding domain bound with the ACE2 receptor, J. Bio. Rxiv., (2020) http://doi. org/10.1101/2020.02.19.956235%JbioRxiv.
9. W.E. Chan, C.K. Chuang, S.H. Yeh, M.S. Chang, S.S. Chen. Functional characterization of heptad repeat 1 and 2 mutants of the spike protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus, J. Virol., 80 (2006) 3225-3237.
10. G. Salvatori, L. Luberto, M. Maffei, L. Aurisicchio, G. Roscilli, F. Palombo et al, SARS-CoV-2 spike protein: an optimal immunological target for vaccines, J. Transl. Med., 18 (2020) 222.
11. D. Benvenuto, M. Giovanetti, A. Ciccozzi, S. Spoto, S. Angeletti, M. Ciccozzi, The 2019-new coronavirus epidemic: Evidence for virus evolution, J. Med. Virol., 92 (2020) 455- 459.
12. F. Sievers, A. Wilm, D. Dineen, T.J. Gibson, K. Karplus, W. Li, et al, Fast, scalable generation of high-quality protein multiple sequence alignments using Clustal Omega, Mol. Syst. Biol., 7 (2011) 539.
13. Y. Zhang. I-TASSER server for protein 3D structure prediction, BMC Bioinformatics, 9 (2008) 40.
14. E.F. Pettersen, T.D. Goddard, C.C. Huang, G.S. Couch, D.M. Greenblatt, E.C. Meng et al. UCSF Chimera--a visualization system for exploratory research and analysis, J. Comput. Chem., 25 (2004) 1605-1612.
15. B. Shanmugaraj, K. Siriwattananon, K. Wangkanont, W. Phoolcharoen, Perspectives on monoclonal antibody therapy as potential therapeutic intervention for Coronavirus disease-19 (COVID-19), Asian Pac. J. Allergy Immunol., 38 (2020) 10-18.
16. J. Shang, G. Ye, K. Shi, Y. Wan, C. Luo, H. Aihara et al, Structural basis of receptor recognition by SARS-CoV-2, Nature, 581(2020) 221-224.
17. J.T. Ortega, M.L. Serrano, F.H. Pujol, H.R. Rangel, Role of changes in SARS-CoV-2 spike protein in the interaction with the human ACE2 receptor: an in silico analysis, EXCLI J., 19 (2020) 410-417.
18. C. Garcia-Iriepa, C. Hognon, A. Francés-Monerris, I. Iriepa, T. Miclot, G. Barone, et al, Thermodynamics of the interaction between SARS-CoV-2 spike protein and human ACE2 receptor effects of possible ligands, ChemRxiv., (2020) https://doi.org/10.26434/chemrxiv.12186624.v2.
19. G.A. Versteeg, P.S. van de Nes, P.J. Bredenbeek, W.J. Spaan, The coronavirus spike protein induces endoplasmic reticulum stress and upregulation of intracellular chemokine mRNA concentrations, J. Virol., 81 (2007) 10981-10990.