Forscher der University of Bristol, der Oxford Brookes University und der University of California in San Diego haben genau demonstriert, wie die Spike-Protein des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) zeigt eine hohe Affinität für nikotinische Acetylcholinrezeptoren (nAChRs) mit signifikanten Auswirkungen auf die Pathologie und Infektiosität der Coronavirus-Krankheit (COVID-19). Ihre Ergebnisse werden auf der veröffentlicht bioRxiv* * Preprint-Server.
Die anhaltende COVID-19-Pandemie, die durch SARS-CoV-2 verursacht wird, bleibt eine erhebliche Bedrohung für die globale Gesundheit, die internationale Wirtschaft und die Gesellschaft insgesamt. Es wurden mehrere Hauptrisikofaktoren für COVID-19 identifiziert, nämlich Alter, Diabetes, Bluthochdruck und Herzerkrankungen.
Angesichts der scheinbar geringen Prävalenz von Rauchern bei Krankenhauspatienten wurde kürzlich vorgeschlagen, dass Nikotin einen gewissen Schutz bei der Minderung von COVID-19 bieten könnte, was als „Schutz“ -Hypothese bezeichnet wurde.
Basierend auf den frühen Beobachtungen, bei denen die Raucherprävalenz bei COVID-19-Patienten im Krankenhaus niedriger als erwartet war, deuteten bestimmte Studien auf eine Rolle von nAChRs in der Pathophysiologie von COVID-19 durch eine direkte Wechselwirkung zwischen diesen Rezeptoren und der Virusspitze hin Glykoprotein (S-Protein).
Dieser Vorschlag beruhte hauptsächlich auf der Tatsache, dass das S-Protein aus SARS-CoV-2 ein Sequenzmotiv enthält, das mit bekannten nAChR-Antagonisten verwandt ist und mit nAChRs interagieren kann. Folglich können solche Wechselwirkungen dann an der Pathologie und Infektiosität beteiligt sein, was ein Begriff ist, der als „Nikotinhypothese“ bekannt ist.
Darüber hinaus wurde auch vorgeschlagen, dass COVID-19 durch die Verwendung von Nikotin kontrolliert oder gelindert werden könnte, wenn diese Verbindung sterisch oder allosterisch mit dem Virus um die Bindung an nAChRs konkurrieren kann.
In dieser neuartigen Studie verwendeten die Forscher molekulare Simulationen, um die Nikotinhypothese zu untersuchen – hauptsächlich durch Bewertung, ob das SARS-CoV-2 S-Protein über die Y674-R685-Region (dh einen viralen Teil mit der höchsten Affinität) stabil an nAChRs binden kann zu diesen Rezeptoren).
Überblick über die dreidimensionalen Strukturen des S-Proteins aus SARS-CoV-2 und des αβγδ-nAChR aus Tetronarce californica. (A) Das Modell für das vollständige, vollständig glykosylierte SARS-CoV-2 S-Protein repräsentiert den geschlossenen Zustand des Proteins nach der Furinspaltung.17 Das S-Protein ist ein Homotrimer: 20 Jedes Monomer ist in einer anderen Farbe dargestellt, nämlich Grün, Cyan und Orange, mit Glykanen in Pink. Jedes Monomer besteht aus drei Domänen: Kopf, Stiel und cytoplasmatischer Schwanz (CT) .20 Die Y674-R685-Region ist rot dargestellt. In MD-Simulationen des glykosylierten SARS-CoV-2 S-Proteins ist 17 Y674-R685 zugänglich, wird von den Glykanen nur schwach abgeschirmt (Abbildung S4) und zeigt auch eine hohe Flexibilität (Abbildung S5). (B) Die CryoEM-Struktur des Muskeltyprezeptors von Tetronarce californica (PDB-Code: 6UWZ). 18 Dieser Rezeptor ist ein Heteropentamer, das aus zwei α (grün) -, einer β (blau) -, einer δ (gelb) – und einer γ (orange) -Untereinheit besteht. Jedes Monomer besteht aus vier Domänen: 14-16 extrazelluläre (ECD), Transmembran (TMD), intrazelluläre (ICD) und C-terminale Domäne (CTD). Die Agonistenbindungsstelle befindet sich in den ECDs an der Grenzfläche zwischen zwei benachbarten Untereinheiten.
Strukturmodellierung und molekulare Mechanik
Diese Arbeit beinhaltete experimentelle Verfahren nach dem Stand der Technik, um die Bindung der Y674-R685-Schleife des SARS-CoV-2 S-Proteins an drei nAChRs zu untersuchen – nämlich die menschlichen α4β2- und α7-Subtypen und das muskelähnliche αβγδ Rezeptor von Tetronarce californica (dh eine Art elektrischer Strahlung).
Strukturmodelle der drei SARS-CoV-2 S-Peptid-nAChR-Komplexe wurden basierend auf der Kryo-Elektronenmikroskopie-Struktur des αβγδ-Rezeptors mit Bungarotoxin konstruiert. Letzteres ist ein Neurotoxin, das als nAChR-Antagonist wirkt und direkt mit Acetylcholin konkurriert (dh einem Neurotransmitter, der an Nikotinrezeptoren bindet).
Darüber hinaus wurde ein molekularmechanischer Poisson-Boltzmann-Oberflächenansatz verwendet, um die freie Bindungsenergie des S-Proteins an die verschiedenen Rezeptoren abzuschätzen. Dies ist eine effiziente und nützliche Methode zur Bestimmung der freien Bindungsenergien, die häufig zur Untersuchung von Protein-Ligand-Wechselwirkungen in der medizinischen Chemie und im Wirkstoffdesign verwendet wird.
Endlich, in silico Alanin-Scanning-Mutagenese wurde durchgeführt, um essentielle Reste (von den Autoren als „Hotspots“ bezeichnet) zu lokalisieren, die alle Peptid-Rezeptor-Assoziationen steuern.
Verifizierte Wechselwirkung von SARS-CoV-2 mit nikotinischen Acetylcholinrezeptoren
Kurz gesagt, die in dieser Studie berichteten Ergebnisse stützen die Hypothese, dass das SARS-CoV-2 S-Protein tatsächlich mit nAChRs interagieren kann. Insbesondere zeigen die Ergebnisse, dass die Y674-R685-Region aus dem S-Protein im Allgemeinen eine signifikante Affinität für nAChRs zeigt, mit der höchsten Affinität für den muskelähnlichen Rezeptor.
„Unsere Berechnungen zeigen eine stabile Bindung des S-Proteins an diese Rezeptoren durch eine Region neben der Furin-Spaltstelle und entsprechend der Y674-R685-Schleife“, erklären die Autoren der Studie ihre Ergebnisse. „Sie zeigen auch offensichtliche subtypspezifische Wechselwirkungen mit der höchsten Affinität für den αβγδ-Rezeptor vom Muskeltyp“, fügen sie hinzu.
Bemerkenswerterweise hat die Furinspaltungsstelle viele Auswirkungen auf den viralen Lebenszyklus. Zusätzlich teilt die Region im S-Protein, die für die Bindung an nAChRs verantwortlich ist, eine hohe Sequenzähnlichkeit mit Neurotoxinen, von denen bekannt ist, dass sie nAChRs-Antagonisten sind.
„Analysen der Simulationen des S-Proteins voller Länge zeigen, dass die Y674-R685-Region für die Bindung zugänglich ist, und legen eine mögliche Bindungsorientierung des S-Proteins mit nAChRs nahe“, erklären die Autoren der Studie weiter.
Schließlich zeigen Modellstudien zur Wechselwirkung zwischen dem S-Protein in voller Länge und nAChRs, dass eine Assoziation mit den Proteinen in einer nicht parallelen Orientierung zueinander erreichbar ist, was eine wichtige Beobachtung für weitere Forschungsbemühungen auf diesem Gebiet ist.
Raucherentwöhnungsmittel als Medikamente gegen COVID-19?
Wir wissen bereits, dass COVID-19 für eine Vielzahl von respiratorischen, muskulären und neurologischen Symptomen verantwortlich sein kann. Daher können die in dieser Studie vorhergesagten Wechselwirkungen für das Verständnis der Pathophysiologie dieser Krankheit relevant sein.
„Wenn sich Nikotin tatsächlich als klinisch wertvoll erweist, liegt dies wahrscheinlich daran, dass die Assoziation mit nAChRs gestört wird“, schließen die Autoren der Studie in ihrem Bericht bioRxiv Papier.
Und wenn dies tatsächlich der Fall ist, könnten Nikotinanaloga (auch als Mittel zur Raucherentwöhnung bezeichnet) – wie Vareniclin, Cytisin und Cytisinderivate – auch ihren Platz bei der Behandlung von Patienten mit (möglicherweise schwerem) COVID-19 finden.
Unter Berücksichtigung dieser vielversprechenden Ergebnisse sind weitere Mutations- und Strukturstudien erforderlich, um die Bedeutung von SARS-CoV-2-S-Protein-Wechselwirkungen mit nAChRs mit ihrer potenziellen Relevanz für die Pathologie und Infektiosität von COVID-19 zu testen.
* Wichtiger Hinweis
bioRxiv veröffentlicht vorläufige wissenschaftliche Berichte, die nicht von Experten begutachtet werden und daher nicht als schlüssig angesehen werden sollten, die klinische Praxis / das gesundheitsbezogene Verhalten leiten oder als etablierte Informationen behandelt werden.