Activité pédagogique sur l’action des antiviraux contre le SARS-CoV-2

Par Laure Willhelm — Dernière modification 01/03/2021 14:01

Etude du mode d'action des inhibiteurs enzymatiques utilisés comme antiviraux contre le SARS-CoV-2.

L’action des antiviraux contre le SARS-CoV-2

Problématique : Comment agissent les antiviraux ? A partir de l’analyse documentaire suivante vous allez déterminer comment des antiviraux ont pu être identifiés contre le coronavirus et expliquer leur mode d’action pour lutter contre l’infection virale.

Document 1 : étude du cycle du coronavirus SARS-CoV-2

Schéma du cycle d’un coronavirus réalisé par Laure Willhelm, modifié d’après Jared S. Morse+ , Tyler Lalonde + , Shiqing Xu, and Wenshe Ray Liu . Learning from the Past: Possible Urgent Prevention and Treatment Options for Severe Acute Respiratory Infections Caused by 2019-nCoV. ChemBioChem. 2020.

Cycle de vie d'un coronavirus entrant dans une cellule et se répliquant à l'intérieur :

Le virus se lie grâce à ses protéines de surface, les protéines « Spike », à un récepteur membranaire de la cellule pour entrer dans la cellule (1). Pour le SARS-CoV-2, ce récepteur est l'enzyme de conversion de l'angiotensine 2 : ACE2. Ce récepteur est présent sur les cellules de différents organes : le nez, les yeux, les poumons, le système digestif, le cœur et dans une moindre mesure dans les reins et le foie. Le SARS-CoV-2 peut donc infecter tous ces organes.

Le génome du coronavirus est un ARN simple brin, il est libéré lors de l'entrée virale (2) ; cela démarre le processus de traduction de l’ARN génomique viral au niveau des ribosomes qui conduit à la synthèse de deux grandes protéines, coupées ensuite par 2 protéases : une protéinase (appelée Mpro) et la protéase de type papaïne (Plpro) ce qui donne des protéines non structurales comme la polymérase (3). Cette polymérase réalise ensuite une réplication de l’ARN génomique du virus et une transcription de cet ARN ce qui permet de former des ARN messagers appelés ARN« sub-génomiques » (4). La traduction de ces ARN « sub-génomiques » par les ribosomes permet la formation des protéines structurales du virus (5). Ces protéines seront assemblées avec l’ARN génomique viral pour former les nouveaux virus (6). Les étapes 3 et 5 nécessitent la machinerie cellulaire sans laquelle les protéines virales ne pourraient être produites.

Document 2 : La cristallographie permet l’identification d’antiviraux potentiels

Parmi les chercheurs, les bio-structuralistes jouent un rôle essentiel en déterminant les structures à l’échelle atomique des principales protéines de SARS-CoV-2 par diffraction de rayons X et/ou par cryo-microscopie électronique. Les deux principales protéines faisant l’objet d’études structurales sont la glycoprotéine S « Spike » permettant l’entrée du virus et la protéase Mpro. Ces informations structurales pourront maintenant être exploitées pour l’identification d’inhibiteurs de ces protéines intervenant dans les étapes clés du cycle viral. Par l’étude des structures spatiales de complexes entre la protéase Mpro et des petites molécules inhibitrices, on a pu identifier des inhibiteurs potentiels de la protéase.

Vous disposez d’un modèle moléculaire de l’enzyme (protéase) Mpro du SARS-CoV-2 que vous pouvez visualiser avec le logiciel Rastop lié à un antiviral (inhibiteur irréversible) N3.

Document 3 : Étude de l’action inhibitrice in-vitro de quelques antiviraux sur la protéase Mpro

On cherche de nouvelles pistes de médicaments empêchant la multiplication du virus. La principale protéase du virus du SARS-coV-2 , Mpro, est une cible intéressante. Les inhibiteurs identifiés de cette protéases peuvent être testés in vitro sur des cellules infectées par le SARS-CoV-2.
Action de quelques inhibiteurs, testés in-vitro, sur la protéase Mpro et sur la réplication du coronavirus :

a : Quantification du nombre de copies d'ARN viral (par ml) dans la culture cellulaire 72 h après l'infection. Mock est un témoin négatif (sans virus), COVID-19 virus est un témoin où on a infecté les cellules par le virus mais aucun inhibiteur n’a été ajouté. On utilise une concentration de 10 μM (micromoles) d’inhibiteur.
b,c : courbes montrant l’action inhibitrice de l’Ebselen et de N3 sur l’infection des cellules par le SARS-CoV-2 pour différentes concentration de l’inhibiteur. (à 100 % : pas de destruction cellulaire liée à l’infection).
d, e : courbes montrant l’action inhibitrice de l'Ebselen et du Disulfiram sur l’activité enzymatique de Mpro pour 0.2 μM d’enzyme, 20 μM de substrat et l’inhibiteur à différentes concentrations.

D’après Zhenming Jin et al. Structure of Mpro from COVID-19 virus and discovery of its inhibitor. Nature. 2020.

1) Déterminez quelles sont les phases clefs du cycle viral et les protéines du SARS-CoV-2 contre lesquelles peuvent agir les antiviraux.

2) Ouvrez le fichier « N3-Mpro » dans Rastop afin de visualiser le modèle moléculaire en 3D de l’enzyme Mpro lié à un inhibiteur N3. Affichez l’enzyme en sphères et l’inhibiteur N3 en boules et bâtonnets, puis colorez l’inhibiteur N3 en vert et l’enzyme Mpro en bleu. Mettez en évidence en les colorant en violet les acides-aminés du site actif de l’enzyme : Ser16, Met49, Tyr54, Phe140, Leu141, Asn142, Gly143, Cys145, His163, His164, Met165, Glu166, Leu167, Pro168, Phe185, Asp187, Gln189.
Après avoir présenté de façon numérique votre modèle moléculaire légendé et titré, mettez en relation vos observations avec vos connaissances sur les enzymes pour proposer une explication à l’action inhibitrice de l’antiviral N3 sur l’activité de l’enzyme Mpro du SARS-CoV-2.

Pour télécharger le fichier N3-Mpro : N3-Mpro.pdb

3) A partir du document 3, proposez des antiviraux qui apparaissent prometteurs pour lutter contre le SARS-CoV-2 d’après l’étude de leur action sur les cellules infectée in-vitro (en laboratoire).

4) Exploitez l’ensemble des documents pour expliquer d’une part comment sont identifiés des antiviraux potentiellement prometteurs contre le SARS-CoV-2 et d’autre part comment peuvent agir ces antiviraux contre l’infection virale.

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L’action des antiviraux contre le SARS-CoV-2

Document 1 : étude du cycle du coronavirus SARS-CoV-2

Document 2 : La cristallographie permet l’identification d’antiviraux potentiels

Document 3 : Étude de l’action inhibitrice in-vitro de quelques antiviraux sur la protéase Mpro

Exemples de résultats obtenus sur Rastop :

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