meCocan -Zu einem mechanistischen Verständnis der Wechselwirkung von SARS-CoV-2-Spike-Glykoprotein und Wirts-Heparansulfat-Proteoglykanen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Rebecca Wade
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Virologie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458623378

Das SARS-CoV-2-Spike-Glykoprotein (SGP) spielt eine Schlüsselrolle bei der Infektion des Wirts, welche letztlich zur COVID-19-Krankheit führt. Das SGP auf der Virionoberfläche bewirkt durch die Bindung der SGP-Rezeptor-bindenden Domäne (RBD) an das humane Angiotensin-Converting-Enzym 2 (ACE2) eine Anheftung an die Wirtszellen. Hinweise verdichten sich, dass Heparansulfat-Proteoglykane (HSPGs) der Wirtszelle die Infektion unterstützten und Einfluss auf die Anfälligkeit des Wirts haben. Der Mechanismus, durch den HSPGs die Bindung und den Eintritt des Virus in die Wirtszelle beeinflussen, ist jedoch weitgehend unbekannt. Die HSPGs besitzen stark anionische Glykosaminoglykan(GAG)-Ketten. Obwohl drei basische GAG-Bindungsmotive (GAG-BM) auf dem SGP identifiziert wurden, haben sich frühere Studien auf die GAG-BM in der RBD konzentriert. Sie haben die Bindung von Heparin, einem vereinfachten Modell für HSPGs, charakterisiert und gezeigt, dass der SGP, ACE2 und Heparin einen ternären Komplex bilden können. Da die Unterschiede in dieser GAG-BM und ihrer Umgebung zwischen SARS-CoV1 und 2 jedoch gering sind, vermuten wir andere Faktoren zur Erklärung der hohen Infektiosität von SARS-CoV2. Zusätzlich zu den beiden konservierten GAG-BMs wurde in SARS-CoV2 eine neue basische Insertion in der S1/S2-Region identifiziert. Diese zeigt ein Motiv, das von der Wirts-Furin-Protease zur Spaltung des SGP benutzt wird. Wir vermuten, dass dieses Motiv eine entscheidende Rolle bei der Interaktion mit HSPGs spielt und die Infektion von Wirtszellen beeinflusst. Im meCocan-Projekt schlagen wir einen multidisziplinären Ansatz mit rechnerischen und experimentellen Methoden vor, um (i) die Rolle des S1/S2 basischen Motivs bei der Bindung von SARS CoV2 SPG-HSPG zu untersuchen; (ii) die mechanistischen und allosterischen Effekte von HSPGs auf die SGP-Konformation und die SGP-ACE2-Interaktionen und damit auf die Infektion; sowie (iii) den Zusammenhang zwischen der S1/S2-Region, HSPG-SGP-Interaktionen und der Wirtszell-Suszeptibilität zu untersuchen. Die spezifischen Ziele sind:1) Molekulardynamik-Simulationen zur Ableitung validierter Modelle der offenen und geschlossenen glykosylierten SGP-Ektodomäne mit langen Heparinketten und im ternären Komplex mit Heparinen und ACE2;2) Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie der Bindung von wildtyp- und mutiertem SGP an Heparin und ACE2 um die Rolle der S1/S2-Stelle bei der Bindung von HSPGs zu bestimmen;3) Bindungsassays an lebenden Zellen mit wildtyp- und mutiertem SGP und Wirtszellen, welche HSPGs unterschiedlich exprimieren, um ihre Rolle bei der Wirtsanfälligkeit bewerten zu können.Die Ergebnisse werden sich voraussichtlich auf die Molekulare und Translationale Medizin von COVID-19 auswirken, indem sie neue Erkenntnisse über die Mechanismen der Infektion, neue therapeutische Ziele für die Entwicklung antiviraler SARS-CoV2-Verbindungen und eine Grundlage für die Entwicklung von Inhibitoren der Wirtszellinfektion liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Marco Rusnati