Молекулярное моделирование HR2- и трансмембранного доменов префузионного S-белка вируса SARS-CoV-2

Вирус SARS-CoV-2, вызывающий короновирусную инфекцию COVID-19, остается в фокусе исследований по всему миру. Проникновение этого вируса в клетку начинается со связывания его S-белка с ангиотензин-превращающим ферментом 2, экспрессированным на клеточной поверхности. Изучение проистранственной структуры S-белка необходимо для понимания молекулярных аспектов его функционирования. В настоящее время экспериментальными методами хорошо изучено строение почти всей молекулы S-белка, за исключением его эндодомена, трансмембранного домена и прилегающих к нему остатков эктодомена. В работе выполнено молекулярное моделирование структуры фрагмента S-белка, соответствующего его суперспиральному HR2-домену и полностью пальмитоилированному трансмембранному домену. Стабильность модели подтверждена расчетами молекулярной динамики в полноатомном и крупнозернистом представлении в липидном бислое. Показано, что пальмитоилирование приводит к существенному снижению подвижности трансмембранного домена и локальному утолщению бислоя. Это может иметь значение для процесса тримеризации белка.

1. Letko M., Marzi A., Munster V. Functional assessment of cell entry and receptor usage for SARS-CoV-2 and other lineage B betacoronaviruses // Nat. Microbiol. 2020. Vol. 5. N 4. P. 562–569.

2. Walls A.C., Park Y.J., Tortorici M.A., Wall A., McGuire A.T. Veesler D. Structure, function, and antigenicity of the SARS-CoV-2 spike glycoprotein // Cell. 2020. Vol. 181. N 2. P. 281–292.e6.

3. Turoňová B., Sikora M., Schürmann C., et al. In situ structural analysis of SARS-CoV-2 spike reveals flexibility mediated by three hinges // Science. 2020. Vol. 370. N 6513. P. 203–208.

4. Webb B., Sali A. Protein structure modeling with MODELLER // Structural Genomics. Methods in Molecular Biology, vol 2199 / Eds. Y.W. Chen and CP.B. Yiu. N.Y.: Humana, P. 239–255.

5. Hakansson-McReynolds S., Jiang S., Rong L., Caffrey M. Solution structure of the severe acute respiratory syndrome-coronavirus heptad repeat 2 domain in the prefusion state // J. Biol. Chem. 2006. Vol. 281. N 17. P. 11965–11971.

6. Fu Q., Shaik M.M., Cai Y., Ghantous F., Piai A., Peng H., Rits-Volloch S., Liu Z., Harrision S.C., Seaman M.S., Chen B., Chou J.J. Structure of the membrane proximal external region of HIV-1 envelope glycoprotein // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2018. Vol. 115. N 38. P. E8892–E8899.

7. Jo S., Kim T., Iyer V.G., Im W. CHARMMGUI: a web-based graphical user interface for CHARMM // J. Comput. Chem. 2008. Vol. 29. N 11. P. 1859–1865.

8. Woo H., Park S.J., Choi Y.K., Park T., Tanveer M., Cao Y., Kern N.R., Lee J., Yeom M.S., Croll T.I., Seok C., Im W. Developing a fully glycosylated full-length SARS-CoV-2 spike protein model in a viral membrane // J. Phys. Chem. B. 2020. Vol. 124. N 33. P. 7128–7137.

9. Abraham M.J., Murtola T., Schultz R., Pall S., Smith J.C., Hess B., Lindahl E. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers // SoftwareX. 2015. Vol. 1–2. P. 19–25.

10. Huang J., Rauscher S., Nawrocki G., Ran T., Feig M., de Groot B., Grubmüller H., MacKerell A.J. CHARMM36m: an improved force field for folded and intrinsically disordered proteins // Nat. Methods. 2017. Vol. 14. N 1. P. 71–73.

11. de Jong D.H., Singh G., Benett W.F.D., Arnarez C., Wassenaar T.A., Schäfer† L.V., Periole X., Tieleman D.P., Marrink S.J. Improved parameters for the Martini coarsegrained protein force field // J. Chem. Theory Comput. 2013. Vol. 9. N 1. P. 687–697.

12. Atsmon-Raz Y., Tieleman D.P. Parameterization of palmitoylated cysteine, farnesylated cysteine, geranylgeranylated cysteine, and myristoylated glycine for the Martini force field // J. Phys. Chem. B. 2017. Vol. 121. N 49. P. 11132–11143.

13. de Jong D.H., Baoukina S., Ingolfsson H.I., Marrink S.J. Martini straight: Boosting performance using a shorter cutoff and GPUs // Comput. Phys. Commun. 2016. Vol. 199. P. 1–7.

14. Gapsys V., de Groot B.L., Briones R. Computational analysis of local membrane properties // J. Comput. Aided Mol. Des. 2013. Vol. 27. N 10. P. 845–858.

15. Dev J., Park D., Fu Q., Chen J., Ha H.J., Ghantous F., Herrmann T., Chang W., Liu Z., Frey G., Seaman M.S., Chen B., Chou J.J. Structural basis for membrane anchoring of HIV-1 envelope spike // Science. 2016. Vol. 353. N 6295. P. 172–175.

16. Chiliveri S.C., Louis J.M., Ghirlando R., Baber J.L., Bax A. Tilted, uninterrupted, monomeric HIV-1 gp41 transmembrane helix from residual dipolar couplings // J. Am. Chem. Soc. 2018. Vol. 140. N 1. P. 34–37.

17. Mahajan M., Bhattacharjya S. Solution structure of pre transmembrane domain. Worldwide Protein Data Bank, 2014. DOI: 10.2210/pdb2RUN/pdb.

18. Veit M. Palmitoylation of virus proteins // Biol. Cell. 2012. Vol. 104. N 9. P. 493–515.

19. Petit C.M., Chouljenko V.N., Iyer A., Colgrove R., Farzan M., Knipe D.M., Kousoulas K.G. Palmitoylation of the cysteine-rich endodomain of the SARS-coronavirus spike glycoprotein is important for spike-mediated cell fusion // Virology. 2007. Vol. 360. N 2. P. 264–274.

20. Best R.B., Zhu X., Shim J., Lopes P.E.M., Mittal J., Feig M., MacKerell A.D. Optimization of the additive CHARMM all-atom protein force field targeting improved sampling of the backbone φ, ψ and side-chain χ(1) and χ(2) dihedral angles // J. Chem. Theory Comput. 2012. Vol. 8. N 9. P. 3257–3273.

21. Krogh A., Larsson B., von Heijine G., Sonnhammer E.L.L. Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model: application to complete genomes // J. Mol. Biol. 2001. Vol. 305. N 3. P. 567–580.

22. Serebryakova M.V., Kordyukova L.V., Baratova L.A., Markushin S.G. Mass spectrometric sequencing and acylation character analysis of C-terminal anchoring segment from Influenza A hemagglutinin // Eur. J. Mass Spectrom. 2006. Vol. 12. N 1. P. 51–62.

23. Fu Q., Chou J.J. A trimeric hydrophobic zipper mediates the intramembrane assembly of SARS-CoV-2 spike // bioRxiv. 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c02394.

24. Thorp E.B., Boscarino J.A., Logan H.L., Goletz J.T., Gallagher T.M. Palmitoylations on murine coronavirus spike proteins are essential for virion assembly and infectivity // J. Virol. 2006. Vol. 80. N 3. P. 1280–1289.

25. Charollais J., Van Der Goot F.G. Palmitoylation of membrane proteins (Review) // Mol. Membr. Biol. 2009. Vol. 26. N 1. P. 55–66.