Cómo un cambio en el pico de coronavirus influye en la infectividad

Leyenda: Las proteínas de pico (azul) coronan el SARS-CoV-2, el virus que causa el COVID-19. Una vez que el virus ingresa a los humanos, la proteína espiga se decora con azúcares que se adhieren a algunos de sus aminoácidos, formando O-glicanos. La pérdida de O-glicanos clave puede facilitar la propagación viral a las células humanas. Crédito: Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas, NIH

Desde que me uní a NIH, he ocupado varios puestos de liderazgo diferentes. Pero hay un puesto que afortunadamente se ha mantenido constante para mí: jefe de laboratorio. Dirijo mi propio laboratorio de investigación en el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial (NIDCR) de los NIH.

Mi laboratorio estudia un proceso bioquímico llamado O-glicosilación. Es fundamental para la vida y fascinante para estudiar. Nuestras células a menudo están adornadas con una variedad de azúcares de carbohidratos. La O-glicosilación se refiere al proceso bioquímico a través del cual estas moléculas de azúcar, que se encuentran en la superficie celular o se secretan, se agregan a las proteínas. La presencia o ausencia de estos azúcares en ciertas proteínas juega un papel fundamental en el desarrollo normal de los tejidos y la inmunidad humana de primera línea. También se asocia con diversas enfermedades, incluido el cáncer.

Nuestro laboratorio se unió recientemente a un equipo de científicos del NIH dirigido por mi colega del NIDCR Kelly Ten Hagen para demostrar cómo la O-glicosilación puede influir en el SARS-CoV-2, el coronavirus que causa el COVID-19, y su capacidad para fusionarse con las células, que es un paso clave para infectarlos. De hecho, nuestros datos, publicados en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, indican que algunas variantes parecen haber mutado para explotar el proceso en su beneficio [1].

El trabajo se basa en la dependencia del virus de las proteínas de punta que coronan su superficie exterior para adherirse a las células humanas. Una vez allí, la proteína espiga debe activarse para fusionarse y lanzar una infección. Eso sucede cuando las enzimas producidas por nuestras propias células hacen una serie de cortes o escisiones en la proteína espiga.

El primer corte proviene de una enzima llamada furina. Nosotros y otros teníamos evidencia anterior de que la O-glicosilación puede afectar la forma en que la furina hace esos cortes. Eso nos hizo pensar: ¿Podría la O-glicosilación influir en la interacción entre la furina y la proteína espiga? El área de escisión de furina de la espiga viral estaba adornada con azúcares, y su presencia o ausencia podría influir en la activación de la espiga por la furina.

También notamos que las variantes Alfa y Delta tienen una mutación que elimina el aminoácido prolina en un lugar específico. Eso fue intrigante porque sabíamos por trabajos anteriores que las enzimas llamadas GALNT, que son responsables de agregar moléculas de azúcar voluminosas a las proteínas, prefieren las prolinas cerca de los sitios de O-glicosilación.

También sugirió que la pérdida de prolina en las nuevas variantes podría significar una disminución de la O-glicosilación, lo que podría influir en el grado de escisión de la furina y la capacidad del SARS-CoV-2 para ingresar a las células. Debo señalar que la variante reciente de Omicron no se examinó en el estudio actual.

Después de estudios detallados en moscas de la fruta y células de mamíferos, demostramos en el virus SARS-CoV-2 original que la O-glicosilación de la proteína de pico disminuye la escisión de furina. Luego, otros experimentos demostraron que la enzima GALNT1 agrega azúcares a la proteína de pico y esta adición limita la capacidad de la furina para hacer los cortes necesarios y activar la proteína de pico.

Es importante destacar que el cambio de proteína de pico que se encuentra en las variantes Alfa y Delta reduce la actividad de GALNT1, lo que facilita que la furina comience sus cortes de activación. Sugiere que la glicosilación del pico viral por GALNT1 puede limitar la infección con el virus original, y que la mutación de la variante alfa y delta supera al menos parcialmente este efecto, para hacer que el virus sea potencialmente más infeccioso.

Sobre la base de estos estudios, nuestros equipos buscaron evidencia de GALNT1 en las vías respiratorias de voluntarios humanos sanos. Descubrimos que la enzima se expresa abundantemente en esas células. Curiosamente, esas mismas células también expresan el receptor ACE2, del que depende el SARS-CoV-2 para infectar células humanas.

También vale la pena señalar aquí que la variante Omicron lleva la misma mutación de pico que estudiamos en Alpha y Delta. Omicron también tiene otro cambio cercano que podría alterar aún más la O-glicosilación y la escisión de la proteína espiga por la furina. El laboratorio de Ten Hagen está investigando estas pistas para aprender cómo esta región en Omicron afecta la glicosilación de picos y, en última instancia, la capacidad de este virus devastador para infectar células humanas y propagarse.

Caption: Spike proteins (blue) crown SARS-CoV-2, the virus that causes COVID-19. Once the virus enters humans, the spike protein is decorated with sugars that attach to some of its amino acids, forming O-glycans. Loss of key O-glycans may facilitate viral spread to human cells. Credit: National Institute of Allergy and Infectious Diseases, NIH

Since joining NIH, I’ve held a number of different leadership positions. But there is one position that thankfully has remained constant for me: lab chief. I run my own research laboratory at NIH’s National Institute of Dental and Craniofacial Research (NIDCR).

My lab studies a biochemical process called O-glycosylation. It’s fundamental to life and fascinating to study. Our cells are often adorned with a variety of carbohydrate sugars. O-glycosylation refers to the biochemical process through which these sugar molecules, either found at the cell surface or secreted, get added to proteins. The presence or absence of these sugars on certain proteins plays fundamental roles in normal tissue development and first-line human immunity. It also is associated with various diseases, including cancer.

Our lab recently joined a team of NIH scientists led by my NIDCR colleague Kelly Ten Hagen to demonstrate how O-glycosylation can influence SARS-CoV-2, the coronavirus that causes COVID-19, and its ability to fuse to cells, which is a key step in infecting them. In fact, our data, published in the journal Proceedings of the National Academy of Sciences, indicate that some variants, seem to have mutated to exploit the process to their advantage [1].

The work builds on the virus’s reliance on the spike proteins that crown its outer surface to attach to human cells. Once there, the spike protein must be activated to fuse and launch an infection. That happens when enzymes produced by our own cells make a series of cuts, or cleavages, to the spike protein.

The first cut comes from an enzyme called furin. We and others had earlier evidence that O-glycosylation can affect the way furin makes those cuts. That got us thinking: Could O-glycosylation influence the interaction between furin and the spike protein? The furin cleavage area of the viral spike was indeed adorned with sugars, and their presence or absence might influence spike activation by furin.

We also noticed the Alpha and Delta variants carry a mutation that removes the amino acid proline in a specific spot. That was intriguing because we knew from earlier work that enzymes called GALNTs, which are responsible for adding bulky sugar molecules to proteins, prefer prolines near O-glycosylation sites.

It also suggested that loss of proline in the new variants could mean decreased O-glycosylation, which might then influence the degree of furin cleavage and SARS-CoV-2’s ability to enter cells. I should note that the recent Omicron variant was not examined in the current study.

After detailed studies in fruit fly and mammalian cells, we demonstrated in the original SARS-CoV-2 virus that O-glycosylation of the spike protein decreases furin cleavage. Further experiments then showed that the GALNT1 enzyme adds sugars to the spike protein and this addition limits the ability of furin to make the needed cuts and activate the spike protein.

Importantly, the spike protein change found in the Alpha and Delta variants lowers GALNT1 activity, making it easier for furin to start its activating cuts. It suggests that glycosylation of the viral spike by GALNT1 may limit infection with the original virus, and that the Alpha and Delta variant mutation at least partially overcomes this effect, to potentially make the virus more infectious.

Building on these studies, our teams looked for evidence of GALNT1 in the respiratory tracts of healthy human volunteers. We found that the enzyme is indeed abundantly expressed in those cells. Interestingly, those same cells also express the ACE2 receptor, which SARS-CoV-2 depends on to infect human cells.

It’s also worth noting here that the Omicron variant carries the very same spike mutation that we studied in Alpha and Delta. Omicron also has another nearby change that might further alter O-glycosylation and cleavage of the spike protein by furin. The Ten Hagen lab is looking into these leads to learn how this region in Omicron affects spike glycosylation and, ultimately, the ability of this devastating virus to infect human cells and spread.

Reference:

[1] Furin cleavage of the SARS-CoV-2 spike is modulated by O-glycosylation. Zhang L, Mann M, Syed Z, Reynolds HM, Tian E, Samara NL, Zeldin DC, Tabak LA, Ten Hagen KG. PNAS. 2021 Nov 23;118(47).

Links:

COVID-19 Research (NIH)

Kelly Ten Hagen (National Institute of Dental and Craniofacial Research/NIH)

Lawrence Tabak (NIDCR)

NIH Support: National Institute of Dental and Craniofacial Research