Caractéristiques du gène codant pour la protéine spike des variants

Caractéristiques du gène codant pour la protéine spike des variants alpha beta, gamma et delta et données biologiques sur leur pouvoir infectieux

Ces données permettent de tester l’intervention de la sélection naturelle dans l’évolution de leur fréquence après leur émergence.

La protéine Spike joue un rôle crucial dans l’infection par le Sars-CoV-2 car, en se fixant sur le récepteur ACE2 des cellules cibles, elle permet l’entrée du virus dans la cellule. La région de la protéine spike qui se fixe au récepteur est appelée RBD (Receptor Binding Domain). La séquence de la protéine comprend 1273 acides aminés et le RBD est compris entre les acides aminés 319 et 541 de la séquence.

Ressources

• Protéine spike : Séquences de la protéine spike du génome de référence et des variants alpha, bêta, gamma et delta.

• Données sur l’impact de quelques mutations de la protéine spike sur la biologie du virus.

Les études sur la structure de la protéine Spike ont montré que 6 acides aminés du RBD ont un rôle majeur dans la liaison entre la protéine et le récepteur ACE2. Ce sont : L455 ; F486 ; Q 493 ; S 494 ; N501 et Y505.

La protéine S est formée de deux sous unités S1 et S2. La séquence de S1 va du premier au 685^ème acide aminé et celle de S2 de 686 à 1273.

S1 comprend la séquence du RBD. Elle est impliquée en premier dans la liaison avec ACE2 .Cela entraîne une modification de la structure de S2 et un clivage de la protéine S en ses deux sous unités. Ce clivage est indispensable à la fusion de l’enveloppe du virus avec celle de la membrane de la cellule cible ce qui permet l’entrée du génome viral dans la cellule.

Le système immunitaire de l’organisme réagit à l’infection par le virus, notamment par la production d’anticorps. Ceux-ci sont dirigés contre la protéine spike et essentiellement son RBD. Ce sont des anticorps neutralisants qui, en se fixant sur le RBD, empêchent le virus de se lier aux récepteurs ACE2. Les acides aminés L452, E484 font partie du motif antigénique reconnu par les anticorps.

• Données sur le taux de reproduction des variants préoccupants alpha, bêta, gamma et delta.

Le taux de reproduction désigne le nombre moyen de personnes qu’une personne infectée peut contaminer. Il renseigne donc sur la transmissibilité du virus. Dans un article de juin 2021 (Increased transmissibility and global spread of Sars-CoV-2 variants of concern at juin 2021) des épidémiologistes ont évalué et comparé les taux de reproduction des différents variants préoccupants par rapport à celui d’un variant de base comme EU1 par exemple. Le taux de reproduction pour le variant alpha est augmenté de 29%, pour bêta de 25%, pour gamma de 38% et pour delta de 75%.

Ils ont aussi comparé le taux de reproduction des variants l’un par rapport à l’autre. Pour les variants alpha et bêta la différence est minime (4%) alors qu’elle est de 10% et 17% pour gamma par rapport à alpha et bêta et de 60% pour delta par rapport à alpha et bêta, de 34% par rapport à gamma.

Exploitation pédagogique

- A l’aide d’Anagène comparer les séquences de la protéine spike des variants alpha ,bêta, gamma et delta à celle de référence. Rechercher les différences au niveau du RBD. Traduire les résultats obtenus dans un tableau.

- Dans quelle mesure les informations sur les mutations de la protéine spike confortent l’idée qu’elles ont eu un impact sur le phénotype des variants du virus. Montrer que les données sur le nombre de reproduction du virus le confirment.

A partir de la comparaison des séquences de la protéine spike, on aboutit à un tableau comme ci-dessous des mutations de chaque variant et de leur position par rapport au RBD.

Cliquer sur l'image pour accéder à Viral zone

• Le premier constat est le grand nombre de mutations dans les quatre variants, ce qui est un argument en faveur d’une possibilité d’impact sur leur phénotype.
  - La mutation D614G est commune aux 4 variants. C’est une mutation ancienne datant du début de l’évolution du virus en février 2020 et transmise ensuite dans les lignées des 4 variants. Elle existe chez d’autres virus et elle n’est pas cause de l’augmentation du caractère infectieux des variants.
  - La mutation N501Y est commune aux trois variants alpha, bêta et gamma. Elle est située dans le RBD et, de plus, l’acide aminé 501 est un des 6 acides aminés du RBD considérés comme cruciaux pour la liaison avec le récepteur ACE2. Il est donc possible que la substitution en 501 de l’asparagine par la tyrosine ait pour effet d’augmenter la liaison avec le récepteur et donc l’entrée du virus dans la cellule. Cette mutation pourrait donc augmenter la transmissibilité du virus.
  - Les variants bêta et gamma ont deux autres mutations dans le RBD : K417N (K417T pour gamma) et E484K. Le RBD étant fortement impliqué dans la réaction immunitaire productrice d’anticorps, ces mutations, en particulier celle en position 484, pourraient avoir un impact sur cette réaction immunitaire et la diminuer.
  - Le variant delta a deux mutations dans le RBD : L452R et T478K. Ces deux mutations peuvent avoir un impact d’une part sur la transmissibilité du virus et d’autre part sur un relatif échappement aux réactions immunitaires de l’organisme. En outre, le variant delta est muté au site 681 (P681R comme le variant alpha P681H). Comme on est très près du site de clivage, ces mutations pourraient augmenter l’efficacité du clivage et donc l’entrée du virus dans la cellule.

Conclusion : en affectant l’affinité de la protéine spike au récepteur ACE2 et affaiblissant la réaction immunitaire de l’organisme, les mutations des variants, en particulier celles du RBD, ont pu avoir un impact sur le pouvoir pathogène du virus.

• Le taux de reproduction significativement plus élevé des variants préoccupants par rapport aux autres variants, donc par rapport au virus de Wuhan, signifie que les mutations de ces variants, en particulier celles indiquées précédemment, leur ont conféré un avantage compétitif, ce qui explique le remplacement des variants EU (EU1 et EU2) en Europe par le variant alpha (et de même pour bêta en Afrique, et gamma au Brésil et en Amérique du Sud). La transmissibilité nettement plus forte du variant delta par rapport aux variants alpha, bêta et gamma lui a conféré un avantage sélectif lui ayant permis de les remplacer. La sélection naturelle a donc été un mécanisme en action dans l’évolution du Sars-CoV-2 au niveau populationnel.

  ---