La catéchine et la curcumine interagissent avec la protéine S du SRAS-CoV2

La catéchine et la curcumine interagissent avec la protéine S du SRAS-CoV2

La catéchine et la curcumine interagissent avec la protéine S du SRAS-CoV2 et de l’ACE2 de la membrane cellulaire humaine: informations tirées d’études informatiques

Résumé de situation

La récente épidémie de coronavirus (SRAS-CoV2) est une menace sans précédent pour la santé humaine et la société à travers le monde. Dans ce contexte, le développement d’interventions adaptées est la nécessité de l’heure.

La protéine de pointe virale (protéine S) et le récepteur de cellule hôte apparenté ACE2 peuvent être considérés comme des cibles efficaces et appropriées pour les interventions. Il ressort clairement de la présente étude informatique que la catéchine et la curcumine présentent non seulement une forte affinité de liaison avec la protéine virale S et le récepteur hôte ACE2, mais également avec leur complexe (domaine de liaison au récepteur (RBD) de la protéine de pointe de SARS-CoV2 et ACE2; complexe RBD / ACE2).

Les valeurs d’affinité de liaison de la catéchine et de la curcumine pour la protéine S, le complexe ACE2 et RBD / ACE2 sont de – 10,5 et – 7,9 kcal / mol; – 8,9 et – 7,8 kcal / mol; et – 9,1 et – 7,6 kcal / mol, respectivement.

La curcumine se lie directement au domaine de liaison au récepteur (RBD) de la protéine virale S. L’étude de simulation moléculaire sur une période de 100 ns confirme en outre qu’une telle interaction au sein du site RBD de la protéine S se produit pendant 40 à 100 ns sur une trajectoire de simulation de 100 ns.

Contrairement à cela, la catéchine se lie aux résidus d’acides aminés présents à proximité du site RBD de la protéine S et provoque une fluctuation des résidus d’acides aminés de la RBD et de sa proximité. La catéchine et la curcumine se lient à l’interface du «complexe RBD / ACE2» et interviennent en provoquant la fluctuation des hélices alpha et des brins bêta du complexe protéique.

Les études d’interaction protéine-protéine en présence de curcumine ou de catéchine corroborent également les résultats ci-dessus suggérant l’efficacité de ces deux polyphénols pour empêcher la formation du complexe S Protein-ACE2. En conclusion,

Introduction

SARC-CoV2, un virus à ARN sens positif monocaténaire enveloppé appartenant à la famille des Coronaviridae est un sujet de préoccupation mondiale 1 , 2 .

L’OMS a déclaré sa flambée pandémique en raison de son taux de transmission élevé, de sa propagation rapide dans plusieurs pays et de l’indisponibilité de vaccins ou de médicaments spécifiques pour la traiter 3 .

Phylogénétiquement SARS CoV2 appartient à l’ordre Nidovirales 4 et groupé sous Beta coronavirus, avec une taille de génome d’environ 30 kilobases, qui code pour différentes protéines structurelles et accessoires 4 , 5.

La morphologie générale du coronavirus comprend différentes protéines structurelles telles que la protéine de pointe (S), la protéine d’enveloppe (E), la protéine de membrane (M) et la protéine de nucléocapside (N) 6 .

Le virus Corona envahit les cellules humaines en liant sa protéine de pointe de surface distincte (glycoprotéine dans la nature) à une protéine réceptrice (l’enzyme de conversion de l’angiotensine 2 (ACE2)) présente sur la membrane des cellules humaines. Cela médie l’attachement au récepteur et la fusion de la membrane de la cellule virale-hôte (Fig.  1 ).

La protéine S est une protéine transmembranaire avec des terminaux N-exo et C-endo. La sous-unité N-terminale S 1 contient un domaine de liaison au récepteur (RBD) tandis que la sous-unité C-terminale S 2 induit une fusion membranaire 7 (Fig. Supplémentaire S1).

La fusion du virus avec des cellules humaines est due à la liaison de la sous-unité S 1 de la protéine virale S aux récepteurs des cellules humaines 7 , 8 .

D’autre part, suite à l’endocytose du virus, la sous-unité S 2 qui est caractérisée par des régions Heptad Repeats (HR) qui s’assemble en une structure hélicoïdale intra-épingle à cheveux avec six faisceaux d’hélices favorise le processus de fusion membranaire à l’intérieur de la cellule hôte 9 , 10 .

Récemment, il a été rapporté que le domaine de liaison au récepteur de la protéine S du SRAS-CoV2 est plus ou moins similaire à celui du SRAS-CoV, malgré la variation des acides aminés au niveau de certains résidus clés 2. Cela suggère que le virus peut également cibler ACE2, une protéine monomère liée à la membrane des cellules humaines 11 , 12 .

Par conséquent, on suppose que ACE2, le récepteur apparenté du virus corona présent sur la membrane cellulaire des cellules hôtes peut également être une cible spécifique pour empêcher l’entrée virale 13 .

Figure 1
figure1

Représentation illustrée de la liaison de la protéine virale S avec le récepteur cellulaire ACE2. 

La présence de catéchine et de curcumine inhibe l’interaction de la protéine S et de l’ACE2 et empêche finalement l’entrée virale.

Plusieurs études récentes ont suggéré que les composés polyphénoliques naturels comme les catéchines (GTC; catéchines du thé vert) et la curcumine (diferuloylméthane; du curcuma) ont des activités antivirales contre un large spectre de virus tels que le virus de l’immunodéficience humaine (VIH), le virus de l’herpès simplex, le virus de la grippe. , Virus de l’hépatite B et C (VHB et VHC respectivement) 14 , adénovirus 15 et virus chikungunya (CHIKV) 16 .

Divers mécanismes ont été suggérés pour expliquer les activités antivirales des deux composés polyphénoliques.

Par exemple, les CTG ont été documentées comme étant un suppresseur potentiel de l’entrée virale et de sa réplication 17 , 18 , 19 , 20 , 21, alors que la curcumine a été démontrée comme un puissant inhibiteur de la monophosphate déshydrogénase, une enzyme limitant la vitesse dans la synthèse de novo du nucléotide guanine 22 .

En outre, il a également été observé que les GTC et la curcumine inhibent l’expression de l’ACE2, comme le montrent les études sur les animaux 23 , 24 .

Bien que la catéchine et la curcumine se lient à diverses protéines d’origine virale et humaine, il n’y a pas beaucoup d’informations sur l’interaction des polyphénols avec la protéine S du coronavirus et son récepteur apparenté, l’ACE2 des cellules hôtes jusqu’à ce jour.

Avec cette toile de fond, la présente étude a été conçue pour examiner l’interaction de la catéchine et de la curcumine avec la protéine S du virus et son récepteur apparenté ACE2 des cellules hôtes en utilisant des méthodes informatiques.

Les approches informatiques (amarrage moléculaire et simulation) sont le premier choix des scientifiques pour prophétiser les modes de liaison apparents et les affinités des ligands pour les macromolécules avant des études expérimentales qui sont en effet coûteuses et prennent du temps 25.

De plus, l’amélioration de la vitesse, de la fiabilité et de la précision des méthodes d’accostage informatique au cours des dernières années en a fait un choix approprié pour concevoir des médicaments à base de structure 26 , 27 .

La présente étude incorpore les résultats de l’amarrage moléculaire de la catéchine et de la curcumine avec la protéine S du virus corona ainsi qu’avec l’ACE2 des cellules hôtes, un récepteur apparenté pour la protéine virale S. De plus, les affinités de liaison et les études de simulation moléculaire de la catéchine et de la curcumine avec le «complexe RBD / ACE2» indiquent que les deux polyphénols provoquent une altération considérable de la structure du complexe.

matériaux et méthodes

Analyse de séquence

La structure Cryo-EM de la protéine SARS-CoV2 S (PDB ID-6vsb) et la structure de diffraction des rayons X de ACE2 (PDB ID-1r42) avec une résolution de 3,46 Â et 2,2 Â, respectivement, ont été extraites de la base de données PDB.

La structure Cryo-EM du «complexe RBD / ACE2» (PDB ID-6LZG) (RBD de la protéine S avec ACE2) avec une résolution de 2,50 Â a été obtenue à partir de la base de données PDB.

La structure complexe est essentiellement composée de deux polypeptides, la chaîne A (enzyme de conversion de l’angiotensine ayant 596 résidus d’acides aminés) et la chaîne B (glycoprotéine de Spike ayant 209 résidus d’acides aminés).

La séquence FASTA de la protéine S de 2019-nCoV, HCoV-229E, MERS-CoV, HCoV-NL63, SARS-CoV a également été récupérée pour une analyse d’alignement de séquences multiples.

Les résultats d’alignement de SARS-CoV2 ont montré que les trois chaînes de la protéine S ont des séquences d’acides aminés identiques. Par conséquent,

Amarrage protéine-protéine

Un outil d’amarrage de corps rigide automatisé, clusPro2.0 28 a été utilisé pour l’analyse d’amarrage des protéines S Protein – ACE2 en présence et en l’absence de curcumine et de catéchine.

Cet outil aide à cribler les conformations ancrées en ce qui concerne leurs propriétés de regroupement, en tenant compte de différents paramètres protéiques. La sélection des conformations filtrées était basée sur l’évaluation de l’énergie libre empirique.

Les énergies de désolvatation et électrostatiques les plus faibles ont été prises en compte pour l’évaluation de l’énergie libre.

ClusPro est accessible à l’ adresse https://cluspro.bu.edu/publications.php . Piper étant un outil d’ancrage rigide basé sur FFT, il sert le programme de clustering ClusPro pour détecter les sites natifs en fournissant 1000 résultats à faible consommation d’énergie.

Analyse d’amarrage moléculaire de la protéine S, de l’ACE2 et du «  complexe RBD / ACE2  » avec la catéchine et la curcumine

L’évaluation de l’énergie libre de liaison de la protéine S, de l’ACE2 et du «complexe RBD / ACE2» avec la catéchine et la curcumine a été réalisée par le biais du programme d’amarrage moléculaire AutoDock Tools 1.5.6.

L’identifiant SMILES canonique de la catéchine (Catechin – Gallocatechin – Catechin) et de la curcumine a été obtenu à partir de la base de données PubChem ( https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/ ).

La conversion en structures 3D a été réalisée à l’aide de CHIMERA 1.11.2 29 . L’affinité de liaison de la protéine S, de l’ACE2 et du ‘complexe RBD / ACE2’ avec la catéchine et la curcumine a été examinée à l’aide d’Auto Dock Vina 1.1.2 30.

Divers paramètres tels que l’affinité de liaison, l’atome d’interaction avec le récepteur, l’atome de poche du récepteur, le site d’interaction du ligand récepteur, l’énergie de contact atomique (ACE) et les résidus d’acides aminés latéraux ont été étudiés pour reconnaître le site de liaison de la protéine S, de l’ACE2 et du complexe ‘RBD / ACE2. ».

Les résultats des études d’amarrage ont été visualisés et analysés par Discovery Studio 2017 R2 Client 31 .

Analyse de simulation moléculaire

Les structures 2D chimiquement non standardisées des ligands, de la catéchine et de la curcumine ont été extraites de la base de données PubChem ( https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/ ).

Les fichiers Ligand peuvent être basculés vers des structures 3D correctement standardisées et extrapolées par LigPrep 32 .

LigPrep joue un rôle majeur dans la conversion des structures 3D en structures d’énergie par conséquent plus basses qui peuvent être utilisées par Glide 33.

Cette minimisation des structures est réalisée à l’aide du champ de force OPLS3e. Chaque structure d’entrée génère plusieurs structures de sortie en raison de différentes stéréochimies, états de protonation, conformations de tautomère et d’anneau.

Dans le fichier de sortie du ligand, les spécifications sont faites pour la production d’une conformation d’anneau à faible énergie par ligand. Le module Ligand Docking with Energetics (GLIDE) basé sur la grille du logiciel Schrodinger a été utilisé pour la formation du complexe S Protein – curcumine et S Protein – catechin.

La catéchine et la curcumine ont également été individuellement complexées avec le «complexe RBD / ACE2». Le logiciel Desmond a été utilisé pour effectuer des simulations de dynamique moléculaire, des écarts de moyenne quadratique (RMSD) et des fluctuations atomiques par le biais d’études de fluctuation de la moyenne carrée (RMSF).

Pour effectuer des simulations de solvants explicites avec des conditions marginales périodiques, différents outils tels que cubique, orthorhombique, octaèdre tronqué, dodécaèdre rhombique et autres boîtes de simulation arbitraires sont utilisés.

Avant le cycle de production de 100 ns, un cycle de stabilisation en 8 étapes a été effectué, ce qui comprend principalement la tâche, puis des simulations en dynamique brownienne avec NVT à T = 10 K, de petits pas de temps, des contraintes sur les atomes lourds de soluté pour 100 ps et suivi par la répétition de la au-dessus du stade mais avec des restrictions sur les atomes lourds de soluté pour 12 ps.

L’étape 4 a été réalisée de manière similaire à la précédente à NPT au lieu de NVT suivie d’un focus sur la poche de solvate. L’étape 6 est la même que celle de l’étape 4.

L’étape suivante impliquait une simulation au NPT pour 24 ps sans contrainte.

Enfin, des simulations ont été faites. Avant le cycle de production de 100 ns, un cycle de stabilisation en 8 étapes a été effectué, ce qui comprend principalement la tâche, puis des simulations en dynamique brownienne avec NVT à T = 10 K, de petits pas de temps, des contraintes sur les atomes lourds de soluté pour 100 ps et suivi par la répétition de la au-dessus du stade mais avec des restrictions sur les atomes lourds de soluté pour 12 ps.

L’étape 4 a été réalisée de manière similaire à la précédente à NPT au lieu de NVT suivie d’un focus sur la poche de solvate. L’étape 6 est la même que celle de l’étape 4. L’étape suivante impliquait une simulation au NPT pour 24 ps sans contrainte. Enfin, des simulations ont été faites. Avant le cycle de production de 100 ns, un cycle de stabilisation en 8 étapes a été effectué, ce qui comprend principalement la tâche, puis des simulations en dynamique brownienne avec NVT à T = 10 K, de petits pas de temps, des contraintes sur les atomes lourds de soluté pour 100 ps et suivi par la répétition de la au-dessus du stade mais avec des restrictions sur les atomes lourds de soluté pour 12 ps.

L’étape 4 a été réalisée de manière similaire à la précédente à NPT au lieu de NVT suivie d’un focus sur la poche de solvate. L’étape 6 est la même que celle de l’étape 4. L’étape suivante impliquait une simulation au NPT pour 24 ps sans contrainte. Enfin, des simulations ont été faites. des contraintes sur les atomes lourds de soluté pendant 100 ps et suivies de la répétition de l’étape ci-dessus, mais avec des contraintes sur les atomes lourds de soluté pendant 12 ps.

L’étape 4 a été réalisée de manière similaire à la précédente à NPT au lieu de NVT suivie d’un focus sur la poche de solvate. L’étape 6 est la même que celle de l’étape 4. L’étape suivante impliquait une simulation au NPT pour 24 ps sans contrainte. Enfin, des simulations ont été faites. des contraintes sur les atomes lourds de soluté pendant 100 ps et suivies de la répétition de l’étape ci-dessus, mais avec des contraintes sur les atomes lourds de soluté pendant 12 ps.

L’étape 4 a été réalisée de manière similaire à la précédente à NPT au lieu de NVT suivie d’un focus sur la poche de solvate. L’étape 6 est la même que celle de l’étape 4. L’étape suivante impliquait une simulation au NPT pour 24 ps sans contrainte.

Ici, dans cette étude, des simulations MD ont été menées notamment pour les deux premiers hits identifiés afin d’analyser la stabilité du complexe récepteur ligand pour 100 ns.

Stabilité des complexes ancrés La glycoprotéine de pointe de 2019-nCoV-curcumine et la glycoprotéine de pointe de 2019-nCoV-catéchine sont simulées jusqu’à un temps de simulation de 100 ns en effectuant des simulations de dynamique moléculaire (MD) à l’aide du constructeur de système de Desmond 34 implémenté dans Maestro 35avec champ de force OPLS3e.

Des simulations ont également été menées pour les deux ligands avec «complexe RBD / ACE2». Les systèmes pour «S Protein – curcumin» et «S Protein – catechin» ont été immergés dans une boîte cubique remplie d’eau de 10 Å d’espacement contenant 63 985 (environ) molécules d’eau avec le constructeur du système Desmond dans le programme Maestro.

De même, pour le «complexe RBD / ACE2» avec la catéchine et la curcumine, environ 26 850 molécules d’eau ont été prélevées en utilisant une charge ponctuelle simple étendue (SPC).

La neutralisation du complexe ancré a été effectuée par l’ajout de 4 ions Na + (concentration de 1,137 mM) dans le système pour la protéine S et la curcumine. 6 ions Na + (concentration 1,706 mM) ont été ajoutés pour la neutralisation de la protéine S et de la catéchine. De même, 23 Na +des ions (concentration 15,575 mM) et 21 ions Na + (concentration 14,206 mM) ont été ajoutés pour la neutralisation du «complexe RBD / ACE2» pour la catéchine et la curcumine, respectivement.

La méthode MM-GBSA (Generalized Born Surface Area) de la mécanique moléculaire a été adoptée pour le calcul des énergies libres de liaison de la catéchine et de la curcumine avec la protéine S et le «complexe RBD / ACE2», respectivement.

La valeur la plus négative indique une liaison plus forte car le MM-GBSA est un indice d’énergie libre de liaison. Module principal 36a été utilisé pour calculer l’énergie libre de liaison MM-GBSA sous la trajectoire équilibrée de la dynamique moléculaire.

La diminution de l’énergie potentielle pendant les 100 ns dans le cas des deux complexes catéchine-protéine S, curcumine-S protéine a révélé que le système est stable. L’analyse des différentes conformations acquises sur la période de simulation de 100 ns est effectuée.

Pour le calcul de la variation moyenne du déplacement des atomes sélectionnés dans un cadre particulier par rapport au cadre de référence, la déviation quadratique moyenne (RMSD) est estimée pour la protéine et le ligand pour une trajectoire de simulation de 100 ns.

Afin de comprendre les tendances de déliaison des deux protéines, la chaîne A (enzyme de conversion de l’angiotensine 2) et la chaîne B (RBD de la glycoprotéine de Spike) et d’analyser la cohérence de ces tendances en présence de catéchine ou de curcumine, nous avons réalisé une non-liaison analyse qualitative d’interaction en découpant toutes les images de 5 ns à partir de la trajectoire de dynamique moléculaire de 100 ns.

résultats et discussion

Analyse structurelle

La prédiction de la structure secondaire S Protéine du SRAS-CoV2 a été réalisée en utilisant la méthode SOPMA (Self Optimized Prediction Method with Alignment).

La protéine S contient 1288 résidus aa comprenant 350 hélices α (27,17%), 312 tours β (9,08%) et 509 bobines aléatoires (39,52%). Grâce à ExPASy ProtParam, le nombre total de résidus chargés négativement (Asp + Glu) et chargés positivement (Arg + Lys) a été déterminé à 112 et 100, respectivement.

L’indice aliphatique était de 81,58. Le GRAVY (Grand Average of Hydropathicity) a obtenu un score de – 0,163. L’indice d’instabilité a été calculé à 31,58. Ces caractéristiques classifient la protéine S de SARS-CoV2 comme une structure stable.

Il a également été révélé par des études informatiques que la demi-vie de la protéine S est maximale chez les mammifères (réticulocytes de mammifères – 30 h) que chez les levures (> 20 h) et les bactéries (E. Coli  -> 10 h).

Structure alignment

Le SARS-CoV2 et le SARS-CoV ont été évalués par TM-align ( https://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/TM-align/ ) pour des études structurelles comparatives.

Ces deux virus ont été considérés pour la superposition structure-structure en raison de la similarité maximale des séquences. Il a été observé à travers des études d’alignement structurel que le SRAS-CoV2 et le SRAS-CoV ne diffèrent que par le fragment RBD et la partie restante de la structure est identique (Fig. S2 supplémentaire ).

Il était évident que le SRAS-CoV est un ancêtre du virus SARS-CoV2 nouvellement émergé. Néanmoins, certains changements ont été remarqués dans le fragment RBD du SARS-CoV2 par rapport au SARS-CoV. Les résultats corroborent une étude antérieure 2 .

Amarrage protéine-protéine

Sur la base de la valeur RMSD totale, les 10 meilleurs modèles d’amarrage avec différentes énergies libres ont été obtenus à partir du serveur Web ClusPro.

Parmi lesquels, nous avons analysé 5 modèles d’amarrage ClusPro qui ont été sélectionnés en fonction de la probabilité que la protéine S, la protéine S avec la curcumine et la protéine S avec la catéchine interagissent avec les sites de liaison prédits d’ACE2 avec la plus faible énergie de liaison au cours de telles interactions.

L’énergie de liaison moyenne des 5 positions de liaison pour l’interaction protéine S-ACE2 en l’absence de curcumine ou de catéchine est de – 901,2 kJ / mol (Fig. S16 supplémentaire ).

Néanmoins, l’énergie de liaison moyenne pour la protéine S – ACE2 en présence de l’un ou l’autre des deux polyphénols ci-dessus est de – 759,54 kJ / mol (tableau 1 , figures  2 , 3 , 4 ).

Tableau 1 Interaction protéine-protéine représentant les 5 plus faibles énergies de liaison pour le complexe protéine S-ACE2 en présence ou en l’absence de curcumine et de catéchine.
Figure 2
figure2

Modèle ancré illustrant l’interaction de la protéine S avec le récepteur ACE2 en l’absence de polyphénols.

Figure 3
figure3

Les 5 meilleurs modèles ancrés affichant une interaction de la protéine S avec le récepteur ACE2 en présence de curcumine.

Figure 4
figure4

Les 5 meilleurs modèles ancrés affichant une interaction de la protéine S avec le récepteur ACE2 en présence de catéchine.

Il a été observé que pendant l’interaction protéine-protéine, l’énergie de liaison de la protéine S-ACE2 diminue en présence des phytocomposés (c’est-à-dire la curcumine ou la catéchine).

Une baisse significative de 141,66 kJ / mol d’énergie de liaison a été observée lors de l’interaction protéine S-ACE2 en présence de curcumine ou de catéchine par rapport à leur liaison directe.

Par conséquent, on peut supposer que les deux composés sont capables d’entraver la fixation du site RBD de la protéine S à la protéine réceptrice ACE2.

Cela ouvrirait en effet la voie à l’utilisation de la curcumine ou de la catéchine dans la réutilisation / conception d’une thérapie efficace pour empêcher l’entrée virale.

Analyses d’amarrage moléculaire et de simulation

Les modes de liaison de la catéchine et de la curcumine avec la protéine S et l’ACE2 ont été étudiés via Auto DockVina 1.1.2. L’énergie de liaison de la protéine S avec la catéchine et la curcumine a été évaluée à – 10,5 kcal / mol et – 7,9 kcal / mol, respectivement (tableau 2 ).

L’affinité de liaison de la curcumine avec l’ACE2 était de – 7,8 kcal / mol alors que celle de la catéchine était de – 8,9 kcal / mol (tableau 3 ). De même, la catéchine et la curcumine ont respectivement – 9,1 kcal / mol et – 7,6 kcal / mol affinités de liaison envers le «  complexe RBD / ACE2  » (Tableau 4).

À partir des scores d’amarrage, on peut déduire que la catéchine et la curcumine ont une forte affinité de liaison pour la protéine S, l’ACE2 ainsi que le «complexe RBD / ACE2».

Les résidus d’acides aminés de la protéine S, de l’ACE2 ainsi que du «  complexe RBD / ACE2  » qui participent à la formation de différentes liaisons chimiques (telles que la force de van der Waals, les liaisons hydrogène conventionnelles et les liaisons carbone-hydrogène) avec la catéchine ou la curcumine diffèrent parmi les protéines et leur complexe (figures  5 , 6 , figures supplémentaires S3 , S4 , S8 et S9 ).

D’un autre côté, des études d’amarrage moléculaire ont suggéré que les affinités de liaison de la catéchine pour la protéine S, l’ACE2 et également le «complexe RBD / ACE2» sont plus élevées que celles de la curcumine.

Tableau 2 L’énergie de liaison, les types d’interaction et les acides aminés impliqués dans l’interaction de la protéine S du SARS-CoV2 avec la curcumine et la catéchine.
Tableau 3 L’énergie de liaison, les types d’interaction et les acides aminés impliqués dans l’interaction du récepteur ACE2 humain avec la curcumine et la catéchine.
Tableau 4 L’énergie de liaison, les types d’interaction et les acides aminés impliqués dans l’interaction du complexe RBD / ACE2 avec la curcumine et la catéchine.
Figure 5
figure5

Pose ancrée de la curcumine dans l’interface du complexe RBD / ACE2. ( A ) Acides aminés participant à l’interaction de la curcumine et du complexe RBD / ACE2, ( B ) Plusieurs liaisons impliquées dans l’interaction entre la curcumine et le complexe RBD / ACE2. Cette figure a été produite à l’aide du visualiseur Discovery Studio ( http://accelrys.com/products/collaborative-science/biovia-discovery-studio/visualization-download.php ).

Figure 6
figure6

Pose ancrée de la catéchine dans l’interface du complexe RBD / ACE2. ( A ) Acides aminés participant à l’interaction de la catéchine et du complexe RBD / ACE2, ( B ) Plusieurs liaisons impliquées dans l’interaction entre la catéchine et le complexe RBD / ACE2. Cette figure a été produite à l’aide du visualiseur Discovery Studio ( http://accelrys.com/products/collaborative-science/biovia-discovery-studio/visualization-download.php ).

Les résultats des données de simulation moléculaire jettent une lumière sur l’interaction de la curcumine avec la protéine S. La déviation quadratique moyenne (RMSD) du complexe protéine S – curcumine a été marquée pour augmenter pendant les 20 ns initiaux, puis est restée stable jusqu’à 100 ns pendant la trajectoire de simulation (Fig. S5 supplémentaire ).

Les changements locaux le long de la chaîne protéique ont été caractérisés par la fluctuation quadratique moyenne (RMSF). Le graphique indique que la curcumine possède la capacité de provoquer une fluctuation de tous les acides aminés de la protéine S (figure supplémentaire S6 ).

Tableau S1 représente les interactions protéine S et ligand qui décrivent clairement le temps de résidence de résidus d’acides aminés spécifiques participant au processus, y compris les acides aminés du site RBD qui présentent une interaction considérable avec la curcumine.

Le groupe céto de la curcumine présente une forte affinité pour Leu335 du site RBD de la protéine S formant des liaisons hydrophobes. Interaction avec Leu335 du site de RBD de protéine S se produit pour 40% du temps de simulation (figure supplémentaire. S7).

Les études de simulation moléculaire sont en bon accord avec les études d’amarrage. Les résultats suggèrent que les deux polyphénols se lient à la protéine S avec une énergie de liaison élevée, cependant, leurs sites de liaison sur la protéine S diffèrent considérablement.

La curcumine se lie directement à la RBD de la protéine S tandis que la catéchine se lie à la proximité de la RBD de la protéine S. De plus, la catéchine provoque une plus grande fluctuation des résidus d’acides aminés près du site RBD.

Le fragment RBD de SARS-CoV2 s’étend de 319 à 591 résidus S 37 . De nos études, il est déduit que la curcumine se lie directement aux acides aminés dans cette région Leu546, Gly548, Phe541, Asp571, Ala570, Thr572, Thr547, Thr573 tandis que la catéchine se lie à la protéine S à proximité immédiate du fragment RBD de Gln314, Glu309 , Les résidus Lys310, Gly311, Lys304, Tyr313, Thr302, Ile312, Leu303 et Ile312 (tableau 2 , figures supplémentaires S3 et S8 ).

Le changement moyen du déplacement des atomes dans toutes les images a été enregistré par écart quadratique moyen (RMSD) à un intervalle de 10 ns. Bien que l’énergie de liaison MM-GBSA maximale pour le complexe protéine S-curcumine ait été observée – 58 kcal / mol à 0 et 20 ns, la valeur minimale a été enregistrée – 47 kcal / mol à 10 et 70 ns.

D’autre part, l’énergie de liaison MM-GBSA la plus élevée et la plus faible pour le complexe protéine S-catéchine a été respectivement de – 59 kcal / mol (à 30 ns) et – 20 kcal / mol (à 60 et 80 ns). (Fig. Supplémentaire S14). Le calcul de l’énergie libre totale MM-GBSA pour les deux polyphénols avec protéine S indique une énergie de liaison favorable pour la curcumine (- 53,63 kcal / mol) par rapport à la catéchine (- 34,22 kcal / mol). La RMSD moyenne des deux complexes (complexe protéine S – catéchine et complexe protéine S – curcumine) a été enregistrée à moins de 3 Â après stabilisation de la protéine S RMSD.

Au contraire, la RMSD du complexe protéine S-catéchine était initialement instable pendant les 50 premières ns et stabilisée par la suite pour le reste de la période de simulation (figure supplémentaire S11).

Une fluctuation structurelle maximale a été observée entre 300 et 500 résidus d’acides aminés et après 1000 résidus d’acides aminés de la protéine S (figure supplémentaire S10). Les données ci-dessus soutiennent que l’interaction de la protéine S et de la catéchine se produit avec les résidus d’acides aminés de la protéine S près du site RBD (319 aa – 591 aa)37 .

Les résidus d’acides aminés Arg634 et Val635 près du site RBD de la protéine S ont une affinité plus forte envers le groupe hydroxyle de la catéchine avec 54% et 35%, respectivement, sur une trajectoire de simulation de 100 ns (figure supplémentaire S12 ).

L’affinité de liaison de la curcumine avec l’ACE2 était de – 7,8 kcal / mol alors que celle de la catéchine était de – 8,9 kcal / mol. La liaison de la curcumine ou de la catéchine avec ACE2 comprend la liaison hydrogène conventionnelle, la liaison carbone-hydrogène et les interactions Pi-Sigma.

Les résidus d’acides aminés de la protéine qui participent aux interactions ci-dessus varient pour les deux ligands (figures supplémentaires S4, S9 et tableau 3 ).

L’affinité de liaison du «complexe RBD / ACE2» avec la curcumine et la catéchine a été évaluée à – 7,6 kcal / mol et – 9,1 kcal / mol, respectivement. Les résultats de la présente étude suggèrent que les résidus d’acides aminés des deux composants du «complexe RBD / ACE2» qui interagissent avec la catéchine et la curcumine sont différents.

Alors que la curcumine se lie au récepteur ACE-2 dans le complexe via des interactions de van der Waals (Phe390, Asn33, Glu37, His34, Asp38, Lys353, Arg396, Pro389), la catéchine interagit avec le récepteur ACE2 dans le complexe via des interactions de van der Waals (Arg559 , Gln338, Ser536, Thr92, Leu29, Val93, Lys26, Asn33, Ala386 et His34), liaisons hydrogène conventionnelles (Arg393, Glu37, Gln96), liaison carbone-hydrogène (Ala387), liaison pi – alkyle (Pro389) et hydrogène donneur pi bond (Gln96).4 ), liaison carbone-hydrogène (Glu406); liaison pi – alkyle (Lys417), liaison donneur – donneur défavorable (Gln409) et liaison hydrogène donneur pi (Tyr453).

L’interaction de la catéchine avec la région de la protéine S du complexe implique une interaction de van der Waals (Gly416, Gln409, Asp405, Leu455, Tyr453), des liaisons hydrogène conventionnelles (Glu406, Arg408, Tyr505) et une liaison pi – alkyle (Lys417) (Tableau 4).

Le nombre de liaisons hydrogène formées lors de l’interaction de la curcumine et de la catéchine avec le «complexe RBD / ACE2» est de 3 et 7, respectivement. De telles liaisons H sont formées entre les résidus d’acides aminés du complexe protéique et les groupes OH des polyphénols.

La catéchine présente une affinité de liaison élevée envers le récepteur en raison de la présence d’un plus grand nombre de groupes OH fonctionnels. Le RMSD moyen du complexe de protéine (la protéine S et ACE2) avec la catéchine et la curcumine a été calculée comme étant de 1,8 Å (Fig.  7 ), et de 2,0 Å (Fig.  8), respectivement.

L’ampleur de la fluctuation causée dans le complexe protéique en raison de la liaison de la catéchine et de la curcumine était de 3,3 Â et 4,2 Â, respectivement. En outre, ces deux polyphénols sont également capables de provoquer des fluctuations dans les régions à la fois en hélice alpha et en brin bêta du complexe.

Bien que des fluctuations à médiation par la curcumine, est plus localisée sur S une partie des protéines du complexe de l’ ECA2, la fluctuation de la catéchine à médiation est observée dans les deux composants du complexe (Fig.  9).

Les énergies de liaison MM-GBSA maximale et minimale pour le «complexe RBD / ACE2» avec la curcumine se sont avérées être de – 69 kcal / mol (à 10 ns) et – 53 kcal / mol (à 90 ns), respectivement. De même, lors de l’interaction du «  complexe RBD / ACE2  » avec la catéchine, les énergies de liaison MM-GBSA maximale et minimale se sont avérées être de – 57 kcal / mol (à 20 ns) et – 28 kcal / mol (à 80 ns) , respectivement (Fig. supplémentaire S15).

Le calcul de l’énergie libre totale de MM-GBSA indique une énergie de liaison favorable pour l’interaction de la curcumine avec «S Protein et ACE2 complex» (- 60,84 kcal / mol) par rapport à celle de la catéchine (- 45,04 kcal / mol).

Lors de l’amarrage des deux polyphénols sur l’interface du «complexe RBD / ACE2» en concomitance avec la simulation 100 ns MD, il a été décrit que des interactions stables et favorables sont formées par les polyphénols avec les protéines RBD et ACE2. En outre, une affinité de liaison plus élevée des deux polyphénols a été observée envers RBD que ACE2.

Figure 7
figure7

Diagramme de la déviation quadratique moyenne (RMSD) pour l’interaction de la catéchine et du complexe RBD / ACE2 pendant 0 à 100 ns de simulation de dynamique moléculaire.

Figure 8
figure8

Diagramme de la déviation quadratique moyenne (RMSD) pour l’interaction de la curcumine et du complexe RBD / ACE2 pendant 0 à 100 ns de simulation de dynamique moléculaire.

Figure 9
figure9

A ) tracé RMSF illustrant les fluctuations induites par la curcumine dans toute la séquence d’acides aminés du complexe RBD / ACE2 au cours de simulations 100 ns MD. ( B ) tracé RMSF illustrant les fluctuations induites par la catéchine dans toute la séquence d’acides aminés du complexe RBD / ACE2 pendant 100 ns MD Simulations.

Les résultats de la présente étude suggèrent que les résidus d’acides aminés des deux composants du «complexe RBD / ACE2» qui interagissent avec les polyphénols utilisés dans la présente étude diffèrent considérablement selon la nature des polyphénols ainsi que les composants du complexe.

De plus, le temps d’interaction des résidus d’acides aminés des deux composants du complexe varie en fonction des types de polyphénol.

Par exemple, les résidus comme Glu37 et Arg393 du récepteur ACE2 du complexe interagissent avec la catéchine via une liaison hydrogène conventionnelle pendant 97% et 94% du temps de simulation, respectivement, tandis que Ala387 interagit pendant 87% du temps de simulation via une liaison carbone-hydrogène.

De même, des résidus d’acides aminés comme Asp38 d’ACE2 et Gly496 de protéine S du complexe sont engagés avec la curcumine pendant 94% et 83% du temps total de simulation soit 100 ns,S13 ). Il convient de mentionner ici que toutes les interactions sont supérieures à 80% de la trajectoire totale de simulation.

Les informations dérivées ci-dessus de l’étude de simulation sont également soutenues par une superposition bien alignée de la curcumine et de la catéchine sur la RBD de «S Protein and ACE2-complex» pendant la simulation 0–100 ns 38 (Fig.  10 ).

Les résultats d’amarrage et de simulation décrivent des énergies de liaison élevées qui reflètent que ces deux polyphénols se lient fortement à l’interface du «complexe RBD / ACE2».

Figure 10
figure10

Superposition de plusieurs instantanés pris lors de l’interaction de ( A ) curcumine et ( B ) catéchine avec le complexe RBD / ACE2, dérivé des 100 ns de simulations MD à 10 ns d’intervalle.

On observe que la liaison entre le complexe protéine S (RBD) -ACE2 (figures supplémentaires S17 , S18 ) a différents modèles de liaison (liaisons H, interactions hydrophobes et pont de sel) où le nombre et l’intensité des résidus d’acides aminés en interaction pour Apo.

Les chaînes A et B l’une par rapport à l’autre sont relativement élevées. En revanche, la présence / liaison de la catéchine ou de la curcumine à l’interface du «complexe RBD / ACE2» minimise ces interactions.

Les résultats obtenus à partir de multiples preuves ont montré que les deux polyphénols se lient de préférence aux sites de la protéine S (site RBD) qui sont cruciaux dans la liaison aux cellules hôtes 33 .

De même, on a également vu que ces molécules se fixent sur les sites d’ACE2 qui étaient impliqués dans le service d’un milieu d’entrée virale 39 .

Ainsi, les résultats des présentes études informatiques suggèrent une prévention possible de l’infection virale par l’utilisation de la catéchine et de la curcumine, deux polyphénols naturels largement utilisés.

Cette double machinerie inhibitrice de blocage de la liaison des récepteurs des cellules hôtes au virus et d’inhibition de l’entrée cellulaire de la protéine virale pourrait être une cible thérapeutique efficace, comme le montre un ensemble d’études informatiques. Cependant, cela doit être validé expérimentalement avant l’intervention translationnelle.

De plus, l’élimination et la neutralisation de l’infection virale par la catéchine et la curcumine ne peuvent être ignorées car les polyphénols sont tous deux un immunostimulant et un inducteur de l’autophagie bien connus, un autre mécanisme important de clairance virale 14 , 40 .

Par conséquent, la disponibilité de la catéchine et de la curcumine dans le système hôte peut faciliter tous les mécanismes différents simultanément et, ainsi, favoriser l’élimination et / ou la neutralisation de l’infection virale.

Conclusion

Le nouveau virus corona pandémique a créé un paysage difficile dans les domaines social, sanitaire et économique. La létalité du virus a coûté la vie à de nombreuses personnes. Il est urgent de freiner l’épidémie généralisée de SRAS-CoV2.

Dans ce contexte, les résultats de cette étude informatique indiquent que la catéchine et la curcumine peuvent être envisagées pour des médicaments antiviraux potentiels contre le SRAS-CoV2. Néanmoins, cela nécessite une validation expérimentale supplémentaire pour étayer les résultats.

Disponibilité des données

Les données pertinentes pour les structures illustratives et les versions interactives des Fig. 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 10 , S2, S3, S4, S8, S9 et S16 ont été soumis à figshare ( https://doi.org/10.6084/m9.figshare.13379453 ).

 

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Remerciements

Les auteurs remercient la Banque mondiale-OHEPEE (Programme d’enseignement supérieur d’Odisha pour l’excellence et l’équité), Département de l’enseignement supérieur, gouvernement d’Odisha pour son soutien au Centre d’excellence en omique intégrée et en biologie computationnelle de l’Université d’Utkal.

Le soutien du gouvernement DBT de l’Inde, New Delhi, au Département de biotechnologie de l’Université d’Utkal est chaleureusement reconnu. Les auteurs remercient l’honorable vice-chancelier de l’Université d’Utkal pour son inspiration dans l’élaboration de ce manuscrit.

Nous remercions M. Vinod Devaraji, Computational Drug Design Lab, School of Bio Sciences and Technology, Vellore Institute of Technology pour ses contributions.

Informations sur l’auteur

Affiliations

Contributions

ABJ: Conception de l’expérience, travail de calcul et rédaction du manuscrit. NK: Travail informatique et rédaction du manuscrit. VN: Analyse des données et rédaction du manuscrit. GBNC: Conception de l’expérience, rédaction du manuscrit et édition. JD Conception de l’expérience, rédaction du manuscrit et édition.

auteur correspondant

Correspondance adressée à Jagneshwar Dandapat .

Déclarations éthiques

Intérêts concurrents

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.