Breaking News

O-Linked Sialoglycans Memengaruhi Pembelahan SARS-CoV-2 spike

Dalam penelitian terbaru yang diposting ke preprint server bioRxiv*, para peneliti dari Spanyol, Inggris, dan Amerika Serikat menggunakan alat kimia untuk mengungkap detail molekuler modulasi yang dimediasi glikan dari sindrom pernapasan akut coronavirus 2 (SARS-CoV-2). pemrosesan spike (S).

Latar belakang

SARS-CoV-2 S adalah glikoprotein multidomain trimerik dengan lapisan glikan yang padat. polybasic (arginine-rich peptide sequences) furin cleavage site (FCS) di S (FL-S) full-length meningkatkan pengikatan ke reseptor sel inang setelah dibelah oleh furin atau transmembrane protease serine 2 (TMPRSS2). Pembelahan proteolitik yang ditingkatkan dari FL-S menjadi subunit S1 dan S2 telah dikaitkan dengan polimorfisme antara amino acid (AA) /residu peptida glutamine (Gln)675 dan prolin (Pro)681 sebelum FCS. Khususnya, wilayah peptida SARS-CoV-2 S ini juga menyimpan banyak residu serin (Ser) dan treonin (Thr) AA yang mungkin membawa N-acetylgalactosamine (O-GalNAc) glycans. Menurut penulis, glikosilasi O-GalNAc terkait-Ser/Thr berdampak pada pembelahan S yang dimediasi furin dan TRMPSS2.

Peregangan AA ini juga paling rentan terhadap mutasi; selanjutnya, dalam Alpha dan Delta SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs), beberapa mutasi disimpan antara Pro681 hingga histidin (His) dan arginin (Arg), masing-masing. Di semua sub-lineages keturunan Omicron, termasuk BA.1, BA.2, dan BA.5, ada mutasi pada P681H dan N679K. Semua mutasi ini memiliki efek peningkatan pembelahan proteolitik S. Merupakan tantangan analitis untuk mempelajari regangan peptida ini pada SARS-CoV-2 S karena kompleksitas biosintetiknya dan kurangnya urutan konsensus peptida. Selain itu, ada kekurangan data tentang kelimpahan glikan, situs perlekatannya, dan pengaruh strukturalnya terhadap proteolisis. Selain itu, penelitian hampir tidak menyelidiki peran mutasi VOC SARS-CoV-2 pada glikosilasi O-GalNAc.

Ada keluarga dari 20 GalNAc transferase, GalNAc-T1 hingga T20 isoenzim dengan berbagai substrat. Mengidentifikasi situs glikosilasi dari setiap GalNAc-T dapat memberikan wawasan tentang biologi O-glikan. Dalam penelitian sebelumnya oleh Ten Hagen et al., mereka menemukan tujuh isoenzim yang dapat memasukkan GalNAc ke dalam SARS-CoV-2 S.

Tentang studi

Dalam penelitian ini, para peneliti menggunakan taktik teknik kimia yang disebut " bump-and-hole (BH) engineering“ untuk mempelajari isoenzim GalNAc-T individu dalam sel hidup. Lebih lanjut, mereka bersikeras bahwa meningkatkan pengurutan glikopeptida berbasis fragmentasi dapat memungkinkan analisis mass spectrometry (MS)-based analysis.

Pertama, para peneliti menginkubasi rekombinan S strain wild-type (WT) SARS-CoV-2 dengan konstruksi P681R (atau P681H) yang diproduksi dalam sel Expi293-F manusia dengan GalNAc-T1 atau T2 versi WT atau BH. Kemudian, mereka melanjutkan untuk menabrak konstruksi ini dengan nucleotide-sugar uridine diphosphate (UDP)-GalN6yne. Mereka menandai versi glikosilasi oleh copper(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) untuk visualisasi melalui Streptavidin blot. Perawatan ini memperkenalkan GalN6yne dengan cara spesifik isoenzim sambil memberikan glikopeptida dengan muatan positif tambahan yang memfasilitasi analisis MS.

a) Model spike dan kartun SARS-CoV-2. Situs pembelahan furin dan penyelarasan peptida untuk varian COVID-19 yang menjadi perhatian dan virus corona terkait. Disorot dengan warna kuning adalah motif polibasik SARS-CoV- 2. Tebal dan merah adalah perubahan asam amino pada posisi 679 dan 681. b) Bump-and-hole engineering memungkinkan penandaan spesifik isoenzim GalNAc-T dari substrat glikosilasi menggunakan tombol yang dapat diklik substrat UDPGalN6yne. FCS = furin cleavage site; VOCs = variants of concern

Kemudian, tim melakukan subunit FL-S dan S1/S2 untuk pencernaan dalam gel dan menganalisisnya dengan tandem MS (ETD). Mereka menggunakan high-intensity collision-induced dissociation (HCD) untuk mendapatkan urutan peptida telanjang dan komposisi glikan dan kemudian menggunakan ion diagnostik I-tagged-GalN6yne untuk memicu fragmentasi ETD dari tulang punggung peptida. Para peneliti juga memvalidasi hasil penelitian secara in vitro. Untuk tujuan ini, mereka menggunakan glikosilasi protein S yang diekspresikan secara rekombinan dengan versi larut BH-GalNAc-T1 dan BH-GalNAc-T2 dan CuAAC dengan I-tagged-azide dan analisis glikoproteomik MS.

Tim menggunakan panel peptida sintetis untuk mempelajari efek mutasi protein S pada glikosilasi yang dimediasi GalNAc-T1. Peptida ini memiliki mutasi terkait VOC SARS-CoV-2 di hotspot utama: Gln675, Gln677, asparagine (Asn)679, dan Pro681.

Glikosilasi memodulasi pemrosesan proteolitik S tergantung pada jarak ke tempat pembelahan dan komposisi glikan. Jadi, tim secara langsung menyelidiki apakah O-GalNAc glycans pada pembelahan S termodulasi Thr678 oleh furin menggunakan Förster Resonance Energy Transfer (FRET) - peptida substrat aktif sintetis. Peptida yang mencakup residu Gln 672 hingga 689 masing-masing mengandung N-terminal 2-aminobenzoyl dan C-terminal 3-nitro-Tyr sebagai donor fluoresensi dan bagian quencher. Peningkatan intensitas fluoresensi menunjukkan pembelahan S yang dimediasi furin. Pertama, mereka membandingkan substrat non-glikosilasi yang sesuai dengan lonjakan mutan WT (FRET-1) dan P681H (FRET-2). Selain itu, mereka memasukkan TMPRSS2 rekombinan ke substrat FRET glikopeptida FRET-1, FRET-3, dan FRET-7 ke FRET-9.

Temuan studi

Validasi komputasi dan manual mengungkapkan bahwa Thr678 membawa GalN6yne yang dimodifikasi dengan tag-I dalam sampel FL-S dan S1 hanya dalam sel yang mengekspresikan BH-T1. Baik BH-T1 dan BH-T2 glikosilasi treonin (Thr)323 tidak dikaitkan dengan isoenzim GalNAc-T. Analisis FRET mengungkapkan bahwa elaborasi O--GalNAc glycans pada Thr678 dari glikoprotein SARS-CoV-2 S, terutama dengan modifikasi bermuatan negatif, sangat menghambat aktivitas furin. O-glikans dalam sel epitel paru-paru yang mengekspresikan GalNAc-T1 menyarankan bahwa glikosilasi adalah modifikasi signifikan secara fisiologis yang membatasi pematangan protein S selama perjalanan evolusi.

Menurut penulis, gangguan glikosilasi O-GalNAc adalah kekuatan pendorong utama di balik evolusi VOC SARS-CoV-2. Dalam lintasan evolusi dari SARS-CoV-2 Alpha ke Delta dan Omicron VOCs, perubahan penting dalam urutan AA sebelum FCS menunjukkan bahwa pembelahan proteolitik secara bertahap ditingkatkan dengan peningkatan infektivitas VOC. Mutasi analog yang ditemukan pada Delta VOC (P681R) yang lebih dapat ditularkan juga telah dikaitkan dengan peningkatan pembelahan furin, menunjukkan lintasan evolusi yang menekan O-glikosilasi sebelum meningkatkan pengenalan furin intrinsik.

Berbeda dengan P681H yang terdeteksi pada varian awal seperti Alpha, mutasi N679K pada Omicron tidak secara substansial memengaruhi glikosilasi tetapi menyebabkan peningkatan pembelahan furin dari peptida sintetis. Mutasi proksimal FCS ini bertindak secara sinergis dan berevolusi untuk menekan glikosilasi dan meningkatkan pembelahan furin.

Kesimpulan

Studi saat ini menetapkan bahwa O-glikosilasi adalah penentu utama pembelahan dan pematangan SARS-CoV-2 S. Ini mungkin juga merupakan sisa dari strain leluhur SARS-CoV-2 yang hilang melalui evolusi virus.

Para peneliti membuktikan bahwa GalNAc-T1 prima glikosilasi di Thr678 dalam sel hidup. Situs glikosilasi di Thr678 dari S (tidak dekat dengan FCS) menjelaskan mengapa residu GalNAc tunggal tidak cukup untuk memodulasi aktivitas furin dan hanya sedikit memengaruhi aktivitas TMPRSS2. Sebaliknya, elaborasi dan sialyation membatalkan aktivitas furin hingga 65%. Demikian pula, O-glikosilasi berdampak negatif pada pembelahan S oleh TMPRSS2, dengan inti 1 (Galβ1-3GalNAc-) yang mengandung O-glycans yang mengandung disakarida memiliki efek paling besar. Secara keseluruhan, temuan penelitian menekankan perlunya teknik penelusuran glikan yang lebih maju untuk mempelajari evolusi SARS-CoV-2.


*Pemberitahuan Penting

bioRxiv menerbitkan laporan ilmiah awal yang tidak ditinjau oleh rekan sejawat dan, oleh karena itu, tidak boleh dianggap sebagai konklusif, memandu praktik klinis/perilaku yang berhubungan dengan kesehatan, atau diperlakukan sebagai informasi yang mapan.


Journal reference:

O-Linked Sialoglycans Modulate the Proteolysis of SARS-CoV-2 Spike and Contribute to the Mutational Trajectory in Variants of Concern, Edgar Gonzalez-Rodriguez, Mia Zol-Hanlon, Ganka Bineva-Todd, Andrea Marchesi, Mark Skehel, Keira Mahoney, Chloe Roustan, Annabel Borg, Lucia Di Vagno, Svend Kjaer, Antoni G. Wrobel, Donald J. Benton, Philipp Nawrath, Sabine L. Flitsch, Dhira Joshi, Andres Manuel Gonzalez-Ramirez, Katalin A. Wilkinson, Robert J Wilkinson, Ramon Hurtado-Guerrero, Stacy A Malaker, Benjamin Schumann, bioRxiv preprint 2022, DOI: https://doi.org/10.1101/2022.09.15.508093, https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.09.15.508093v2

No comments