Comment une toxine virale peut exacerber un COVID sévère

Berkeley – UN nouvelle étude dans la revue Communication Nature révèle comment une toxine virale produite par le virus SARS-CoV-2 peut contribuer à des infections graves au COVID-19.

L’étude montre comment une partie de la protéine « pointe » du SRAS-CoV-2 peut endommager les barrières cellulaires qui tapissent l’intérieur des vaisseaux sanguins dans les organes du corps tels que les poumons, contribuant à ce que l’on appelle une fuite vasculaire. Le blocage de l’activité de cette protéine peut aider à prévenir certains des symptômes les plus meurtriers du COVID-19, notamment l’œdème pulmonaire, qui contribue au syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA).

“En théorie, en ciblant spécifiquement cette voie, nous pourrions bloquer la pathogenèse qui conduit à des troubles vasculaires et au syndrome de détresse respiratoire aiguë sans avoir besoin de cibler le virus lui-même”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Scott Biering, chercheur postdoctoral à l’Université de Californie, Berkeley. . “À la lumière de toutes les différentes variantes qui émergent et de la difficulté à prévenir l’infection de chacune individuellement, il pourrait être avantageux de se concentrer sur ces déclencheurs de pathogenèse en plus de bloquer complètement l’infection.”

Alors que de nombreux sceptiques des vaccins ont alimenté les craintes concernant les dangers potentiels de la protéine de pointe du SRAS-CoV-2 – qui est la cible des vaccins à ARNm COVID-19 – les chercheurs affirment que leur travail ne fournit aucune preuve que la protéine de pointe peut provoquer des symptômes en l’absence d’infection virale. Au lieu de cela, leur étude suggère que la protéine de pointe peut fonctionner en tandem avec le virus et la propre réponse immunitaire du corps pour déclencher des symptômes potentiellement mortels.

De plus, la quantité de protéine de pointe circulant dans le corps après la vaccination est beaucoup moins concentrée que les quantités qui ont été observées chez les patients atteints de COVID-19 sévère et qui ont été utilisées dans l’étude.

“La quantité de protéines de pointe que vous auriez dans un vaccin ne pourrait jamais provoquer de fuite”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Eva Harris, professeur de maladies infectieuses et de vaccinologie à l’UC Berkeley. “De plus, il n’y a aucune preuve que [the spike protein] est pathogène par lui-même. L’idée est qu’il est capable d’aider et d’encourager une infection en cours.

En examinant l’impact de la protéine de pointe du SRAS-CoV-2 sur les cellules pulmonaires et vasculaires humaines, et sur les poumons des souris, l’équipe de recherche a pu découvrir les voies moléculaires qui permettent à la protéine de pointe de perturber les barrières internes critiques du corps. . En plus d’ouvrir de nouvelles voies pour le traitement du COVID-19 sévère, comprendre comment la protéine de pointe contribue à la fuite vasculaire pourrait faire la lumière sur la pathologie derrière d’autres maladies infectieuses émergentes.

“Nous pensons que de nombreux virus qui causent une maladie grave peuvent coder une toxine virale”, a déclaré Biering. « Ces protéines, indépendantes de l’infection virale, interagissent avec les cellules barrières et provoquent le dysfonctionnement de ces barrières. Cela permet au virus de se disséminer, et cette amplification du virus et de la fuite vasculaire est ce qui déclenche une maladie grave. J’espère que nous pourrons utiliser les principes que nous avons appris du virus SARS-CoV-2 pour trouver des moyens de bloquer cette pathogenèse afin que nous soyons mieux préparés lorsque la prochaine pandémie se produira.

Comment la protéine de pointe déclenche une fuite vasculaire

Une fuite vasculaire se produit lorsque les cellules qui tapissent les vaisseaux sanguins et les capillaires sont perturbées, permettant au plasma et à d’autres fluides de s’échapper de la circulation sanguine. En plus de provoquer les lésions pulmonaires et cardiaques observées dans les cas graves de COVID-19, une fuite vasculaire peut également entraîner un choc hypovolémique, principale cause de décès par dengue.

Avant la pandémie de COVID-19, Biering et d’autres membres de la Programme de recherche Harris étudiaient le rôle de la protéine NS1 du virus de la dengue dans le déclenchement de la fuite vasculaire et la contribution au choc hypovolémique. Lorsque la pandémie a frappé, l’équipe s’est demandée si une toxine virale similaire dans le SRAS-CoV-2 pouvait également contribuer au syndrome de détresse respiratoire aiguë qui tuait les patients COVID-19.

“Les gens sont conscients du rôle des toxines bactériennes, mais le concept de toxine virale est encore une idée vraiment nouvelle », a déclaré Harris. « Nous avions identifié cette protéine sécrétée par les cellules infectées par le virus de la dengue qui, même en l’absence du virus, est capable de provoquer la perméabilité endothéliale et de perturber les barrières internes. Nous nous sommes donc demandé si une protéine du SRAS-CoV-2, comme la pointe, pourrait être capable de faire des choses similaires. »

Les protéines de pointe recouvrent la surface externe du SRAS-CoV-2, donnant au virus son apparence noueuse. Ils jouent un rôle essentiel en aidant le virus à infecter ses hôtes : la protéine de pointe se lie à un récepteur appelé ACE2 sur les cellules humaines et autres mammifères, qui – comme une clé tournant une serrure – permet au virus d’entrer dans la cellule et de détourner la fonction cellulaire. Le virus SARS-CoV-2 élimine une grande partie de la protéine de pointe contenant le domaine de liaison au récepteur (RBD) lorsqu’il infecte une cellule.

“Ce qui est vraiment intéressant, c’est que la protéine de pointe circulante est en corrélation avec les cas graves de COVID-19 en clinique”, a déclaré Biering. “Nous voulions demander si cette protéine contribuait également à toute fuite vasculaire que nous avons vue dans le contexte du SRAS-CoV-2.”

Actuellement, les scientifiques attribuent les lésions cardiaques et pulmonaires associées au COVID-19 sévère à une réponse immunitaire hyperactive appelée tempête de cytokines. Pour tester la théorie selon laquelle la protéine de pointe pourrait également jouer un rôle, Biering et d’autres membres de l’équipe ont utilisé de fines couches de cellules endothéliales et épithéliales humaines pour imiter les parois des vaisseaux sanguins dans le corps. Ils ont découvert que l’exposition de ces couches cellulaires à la protéine de pointe augmentait leur perméabilité, une caractéristique de la fuite vasculaire.

En utilisant la technologie d’édition de gènes CRISPR-Cas9, l’équipe a montré que cette perméabilité accrue se produisait même dans les cellules qui n’exprimaient pas le récepteur ACE2, indiquant qu’elle pouvait se produire indépendamment de l’infection virale. De plus, ils ont découvert que les souris exposées à la protéine de pointe présentaient également une fuite vasculaire, même si les souris n’expriment pas le récepteur ACE2 humain et ne peuvent pas être infectées par le SRAS-CoV-2.

Enfin, à l’aide du séquençage de l’ARN, les chercheurs ont découvert que la protéine de pointe déclenche une fuite vasculaire via une voie de signalisation moléculaire impliquant des glycanes, des intégrines et le facteur de croissance transformant bêta (TGF-bêta). En bloquant l’activité des intégrines, l’équipe a pu inverser la fuite vasculaire chez la souris.

«Nous avons identifié un nouveau mécanisme pathogène du SRAS-CoV-2 dans lequel la protéine de pointe peut briser les barrières qui tapissent notre système vasculaire. L’augmentation de la perméabilité qui en résulte peut entraîner une fuite vasculaire, comme on l’observe couramment dans les cas graves de COVID-19, et nous pourrions récapituler ces manifestations de la maladie dans nos modèles de souris », a déclaré le co-auteur de l’étude, Felix Pahmeier, étudiant diplômé du laboratoire Harris. à l’école de santé publique de l’UC Berkeley. « Il était intéressant de voir les similitudes et les différences entre la protéine NS1 du virus de la pointe et de la dengue. Les deux sont capables de perturber les barrières endothéliales, mais les délais et les voies de l’hôte impliqués semblent différer entre les deux.

Bien que le blocage de l’activité des intégrines puisse être une cible prometteuse pour le traitement du COVID-19 sévère, Harris a déclaré que davantage de travail devait être fait pour comprendre le rôle exact de cette voie dans la progression de la maladie. Bien qu’une perméabilité vasculaire accrue puisse accélérer l’infection et entraîner une hémorragie interne, elle peut également aider l’organisme à combattre le virus en donnant à la machinerie immunitaire un meilleur accès aux cellules infectées.

« Le SRAS-CoV-2 a évolué pour avoir une protéine de surface de pointe avec une capacité accrue d’interaction avec les facteurs membranaires de la cellule hôte, tels que les intégrines, en acquérant un motif RGD. Ce motif est un facteur commun de liaison aux intégrines exploité par de nombreux agents pathogènes, y compris des bactéries et d’autres virus, pour infecter les cellules hôtes », a déclaré Francielle Tramontini Gomes de Sousa, ancienne assistante scientifique du projet dans le laboratoire de Harris et co-première auteur de l’étude. « Notre étude montre comment le pic RGD interagit avec les intégrines, entraînant la libération de TGF-bêta et l’activation de la signalisation TGF-bêta. Utilisant in vitro et Direct modèles de perméabilité épithéliale, endothéliale et vasculaire, nous avons pu améliorer la compréhension des mécanismes cellulaires de l’augmentation des niveaux de TGF-bêta chez les patients atteints de COVID-19 et de la manière dont les interactions entre les cellules épithéliales et hôtes pourraient contribuer à la maladie.

L’équipe continue d’étudier les mécanismes moléculaires qui conduisent à la fuite vasculaire et étudie également d’éventuelles toxines virales dans d’autres virus qui causent des maladies graves chez l’homme.

“Le COVID-19 n’est pas parti. Nous avons de meilleurs vaccins maintenant, mais nous ne savons pas comment le virus va muter à l’avenir », a déclaré Biering. “L’étude de ce processus pourrait nous aider à développer un nouvel arsenal de médicaments afin que si quelqu’un souffre d’une fuite vasculaire, nous puissions simplement cibler cela. Peut-être que cela n’empêche pas le virus de se répliquer, mais cela pourrait empêcher cette personne de mourir.

Les autres co-auteurs de cette étude incluent Laurentia V. Tjang, Chi Zhu, Richard Ruan, Sophie F. Blanc, Trishna S. Patel, Bryan Castle-Rojas, Nicholas TN Lo, Marcus P. Wong, Colin M. Warnes, Douglas M .Fox, Anders M. Near, Sarah A. Stanley et P. Robert Beatty de l’UC Berkeley ; Caroline M. Worthington et John E. Pak du Chan Zuckerberg Biohub ; Dustin R. Glasner, Serviette de Venise, Yale A. Santos et Charles Y. Chiu de l’Université de Californie, San Francisco; Daniel R. Sandoval, Thomas Mandel Clausen et Jeffrey D. Esko ; Victoria Ortega et Hector C.Aguilar de l’Université Cornell ; et Ralph S. Baric de l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill.

Ce travail a été soutenu par le National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) (subventions R01 AI24493 et ​​R21 AI146464 Supplement) et une subvention rapide d’Emergent Ventures. Un soutien supplémentaire a été fourni par la National Science Foundation (subvention RAPID 201989), le National Heart, Lung, and Blood Institute (NHLBI) (subvention HL131474), les National Institutes of Health (R01 AI109022), l’Innovative Genomics Institute et le Life Sciences Fondation de recherche.