redresse=1.5 | vignette | Protéase 3CL du SARS-CoV-2 en dimère : un des deux monomères (désigné par sur le schéma) en couleur dorée et l'autre monomère identique () en bleu. La dyade catalytique H41–C145 est représentée respectivement en vert et rouge. La protéase est représentée ici en complexe avec un inhibiteur de protéase nommé « 11a » (couleur rose magenta) ().

La protéase Une protéase (ou peptidase) est une enzyme qui peut couper une chaîne peptidique entre deux résidus d'acides aminés, pour cela elle hydrolyse la liaison peptidique concernée. (en français « de type 3C ») ou 3CL ou M (pour , en français « protéase principale ») ou endopeptidase C30 est une enzyme codée par le génome des coronavirus. La fonction de cette protéase est de cliver des polyprotéines produites dans les cellules infectées par le virus, au cours de la phase de réplication de ce virus. Cette enzyme peut couper à l'intérieur des chaînes peptidiques (et pas seulement cliver les résidus terminaux), c'est donc une endopeptidase (ou protéinase). Il s'agit également d'une protéase à cystéineUne protéase à cystéine, parfois appelée protéase à thiol, est une peptidase dont le résidu d'acide aminé nucléophile de la triade (ou dyade) catalytique est une cystéine..

Dénomination

Le nom (en français « de type 3C ») provient des similitudes de cette molécule avec la , protéase codée dans le génome des picornavirus. La dénomination « 3C » des picornavirus a été actée dans une convention établie à la suite d'une décision prise lors de la du Groupe d'étude européen sur la biologie moléculaire des picornavirusDénomination officielle en anglais : . (EUROPIC) tenue du 5 au à Urbin en Italie. Cette dénomination est liée à la position de la protéase dans la polyprotéine des picornavirus selon un schéma idéalisé de cette polyprotéine, appelé diagramme L434, selon lequel cette polyprotéine est constituée d'une séquence « leader » (L) suivie de trois régions (P1, P2 et P3) comportant respectivement 4, 3 et 4 protéines. La protéase 3C est située dans la troisième région (d'où le chiffre 3), en troisième position (d'où la lettre C).

Dans la nomenclature EC, la protéase 3C-like porte la référence .

Dans la littérature scientifique on trouve parfois l'appellation , 3CL présente en effet quelques similitudes avec la chymotrypsine, une peptidase du pancréas.

Historique

En 1989, des chercheurs américains et soviétiques décodent le gène 1 du coronavirus murinÀ l'époque, connu sous le nom de virus de l’hépatite murine (MHV pour murine hepatitis virus en anglais).. Ce travail montre la présence d'une séquence codant potentiellement une protéase du même type que les protéases 3C codées dans le génome des picornavirus. En 1995, une équipe de chercheurs américains confirme la production d'une protéase de type 3C à partir du génome du virus MHV-A59 (une souche du coronavirus murin), elle confirme également l'existence d'au moins un site de clivage dans la polyprotéine virale. L'étude a aussi démontré que les résidus d'acides aminés His41 et Cys145 étaient essentiels pour l'activité catalytique de la protéase.

Génomique

Le génome des coronavirus est formé d'un simple brin d'ARN positif qui contient, à son extrémité 5’, un cadre de lecture ouvert codant les protéines non structurales du complexe de réplicase-transcriptase, dénommé ORF1, qui contient lui-même deux cadres de lecture ouverts qui se chevauchent (nommés ORF1a et ORF1b) et qui codent deux polyprotéines appelées pp1a (codée par ORF1a) et pp1ab (codée par ORF1a et ORF1b). ORF1a se termine par un codon-stop et la traduction de ORF1b ne peut donc se faire que lorsque se produit un décalage du cadre de lecture (d'un nucléotide) causé par la séquence glissante U_UU.A_AA.CLes lettres U A C désignent respectivement les bases nucléiques uracile, adénine et cytosine de l'ARN viral, les espaces soulignés « _ » séparent les codons tels qu'ils sont lus par le ribosome lorsqu'il n'y a pas de décalage et les points « . » séparent les codons tels qu'ils sont lus en cas de décalage. suivie quelques nucléotides plus loin par un pseudonœud, sur le brin d'ARN. Ce décalage permet de ne pas interpréter le codon-stop et donc de continuer la traduction du brin d'ARN. Le décalage se produit en moyenne dans environ 30 % des traductions de l'ARN, les protéines codées par ORF1a seront donc produites en beaucoup plus grand nombre que celles codées par ORF1bSunil K. Lal, Molecular Biology of the SARS-Coronavirus, 19/02/2010, Springer Berlin Heidelberg, Allemagne, , 364203683X, p. 78, aperçu consultable en ligne sur Google livres. Les polyprotéines contiennent chacune deux protéases : la protéase principale 3CL (en En débutant depuis l'extrémité N-terminale du polypeptide.) et la protéase En français « de type papaïne ». PLpro (en ).

Structure

3CL est une protéine qui a été fortement conservée au cours de l'évolution, elle est très semblable d'un coronavirus à l'autre.

3CL n'est active que sous la forme d'un homodimère, c'est-à-dire constituée de deux sous-unités protéiques (monomères) identiques. Ces deux unités sont disposées perpendiculairement l'une par rapport à l'autre. Chaque sous-unité, d'environ , contient trois domaines différentsNeeraj Mittal, Sanjay Kumar Bhadada, O. P. Katare, Varun Karg, Covid-19 Diagnosis and Management, Bentham Books, partie 1, 04/06/2021, , aperçu consultable en ligne, dénommés , et .

Le domaine , qui contient des structures en hélice α, intervient dans la régulation de la dimérisation de 3CL. Une chaîne longue relie le domaine au domaine . Les extrémités N et C de chacun des monomères sont situées à l'interface entre les deux monomères.

Le site de liaison au substrat (la molécule qui va être clivée) de chaque monomère est situé dans une cavité profonde, formée par deux tonneaux β comme dans la chymotrypsine, entre les domaines et . Le site actif catalytique est situé au centre de cette cavité, il est formé par un résidu d'acide aminé histidine situé en (His41) de la chaîne protéique et un résidu de cystéine situé en position (Cys145). Contrairement à la chymotrypsine, il n'a pas été découvert de troisième résidu intervenant dans l'activité catalytique, il s'agit donc d'une dyade et non d'une triade catalytique. Une molécule d'eau est liée par une liaison hydrogène au résidu His41, cette molécule d'eau pourrait jouer le rôle habituellement tenu par le troisième résidu catalytique (acide aspartique) de la triade des protéases à sérine.

Activité

Zones clivées

Après la pénétration du coronavirus dans une cellule, ORF1 est traduit par un ribosome de la cellule hôte, qui produit alors les deux polyprotéines pp1a et pp1ab. Les polyprotéines sont ensuite clivées par les deux protéases qui sont elles-mêmes produites à partir de ces polyprotéines par auto-clivage. Ces clivages, qui ont lieu au niveau de liaisons peptidiques, produisent en tout virales fonctionnelles. La polyprotéine pp1a sera divisée en produites à partir de zones dénommées ns1 (côté N-terminal) à ns11 (« ns » pour ), tandis que pp1ab sera divisée en (les dix mêmes premières protéines de pp1a ainsi que cinq autres supplémentaires) à partir de zones dénommées ns1 à ns10 et ns12 à ns16. À noter que la protéine de ns11 est la seule à n'être produite qu'á partir de pp1a.

3CL clive la polyprotéine pp1a en et pp1ab en , dont son propre clivage, tandis que PL clive la polyprotéine en . Les clivages de PL se produisent au niveau des sites ns1-ns2, ns2-ns3 et ns3-ns4 et ceux de 3CLpro au niveau des autres sites.

Catalyse

Les substrats spécifiques à 3CL possèdent tous un résidu de glutamine en position P1 (acide aminé en par rapport à la liaison peptidique qui va être clivée, côté extrémité N-terminale) et un résidu de petite taille (sérine, alanine, asparagine) en position P1’ ( de l'autre côté de la liaison peptidique qui va être clivée)L. Enjuanes Sànchez, Coronavirus Replication and Reverse Genetics, Physica-Verlag, 2006, page 72, aperçu consultable en ligne avec l'autorisation de l'éditeur. Le clivage aura donc lieu entre ces deux résidus. En position P2, il y a souvent un résidu de leucine.

La première étape de la catalyse est la liaison du substrat avec le site actif de la protéase pour former un complexe de Michaelis. Le substrat est alors clivé à la liaison Gln–Ala (ou Gln–Ser ou autre…), la partie N-terminale du peptide clivé est libérée comme premier produit de la réaction, tandis que l'autre partie C-terminale réalise l'acylation (ajout d'un groupe acyle RCO—) du résidu Cys145 du site catalytique. La désacylation de Cys145 est effectuée dans une catalyse basique générale effectuée par l'autre résidu catalytique His41, ce qui permet de libérer la seconde partie du peptide, terminant le cycle catalytiqueGu-Gang, Chang, Quaternary Structure of the SARS Coronavirus Main Protease, Molecular Biology of the SARS-Coronavirus, pp. 115–128, 22/07/2009, Springer, Berlin, Heidelberg, consultable en accès libre en ligne.

Rôle dans l'inhibition de l'inflammation

Les protéases 3CL de certains coronavirus animaux sont impliquées dans la suppression de la production d'interféron de type I (protéines qui participent à la régulation de l'activité du système immunitaire). Des travaux réalisés en 2021 ont montré que les protéases 3CL des coronavirus humains SARS-CoV et SARS-CoV-2 suppriment elles aussi la production d'interféron de type I.

En 2020, des travaux sur le SARS-CoV-2, ont montré que 3CL peut également cliver des protéines de la cellule hôte qui jouent un rôle dans les processus inflammatoires. Ces protéines sont et . Les protéines (protéines contenant les domaines NACHT est un domaine nucléoside-triphosphatase., LRR et PYD est un domaine pyrine.) font partie du système immunitaire inné, elles peuvent détecter des caractéristiques spécifiques des pathogènes comme les peptidoglycanes. TAB1 (Mitogen-activated protein kinase kinase kinase) est une protéine adaptatrice qui conduit à l’activation de la kinase TAK1 (), qui fait partie de la voie NF-κB ().

Cible thérapeutique

3CL est indispensable à la réplication des coronavirus et elle n'est pas présente naturellement dans les cellules humaines non infectées, de ce fait les inhibiteurs de cette protéase sont des candidats très intéressants pour combattre les infections de coronavirus pathogènes Maxim Ryadnov, Frenc Hudecz, Amino Acids, Peptides and Proteins, The Royal Society of Chemistry, 2018, volume 42, p. 238, , aperçu consultable en ligne, comme le SARS-CoV ou le SARS-CoV-2.

Le le groupe pharmaceutique américain Pfizer a dévoilé la structure d'un inhibiteur enzymatique de la protéase 3CL, le nirmatrelvir, anciennement PF-07321332, montrant une affinité nanomolaire avec la protéase et capable de supprimer la réplication du virus SARS-CoV-2 dans les cellules humaines à des concentrations sous-micromolaires. Des simulations de dynamique moléculaire semblent indiquer un mécanisme d'inhibition en deux étapes : d'abord une liaison non covalente avec la dyade catalytique de la protéase dans un état neutre, puis la formation d'un couple ionique thiolate-imidazolium et la relocalisation du ligand pour finaliser l'attaque électrophile.