"Positie 4" leek niet belangrijk totdat onderzoekers lang naar een bepaald peptide keken.

Dat deel van het peptide afkomstig van een SARS-CoV-virus bleek een onverwachte maar significante invloed te hebben op hoe het stabiel bindt aan een receptor die centraal staat in het vermogen van het immuunsysteem om zieke cellen aan te vallen.

In een studie gepubliceerd door de Proceedings van de National Academy of Sciences , onderzoekers van de Brown School of Engineering van Rice University en het MD Anderson Cancer Center van de Universiteit van Texas onthulden modellen met atomaire resolutie die niet alleen de binding beschrijven, maar ook, Voor de eerste keer, de ontbindende mechanismen die ten grondslag liggen aan een belangrijk onderdeel van het immuunsysteem.

Ze zeggen dat een beter begrip van het hele mechanisme zou kunnen leiden tot vooruitgang in immunotherapie die het vermogen van het lichaam om ziekten te bestrijden verhoogt.

Rijstcomputerwetenschapper Lydia Kavraki, alumnus Jayvee Abella en postdoctoraal onderzoeker Dinler Antunes, leidde de studie.

"Het vinden van goede doelen om een ​​beschermende immuunrespons op te wekken is een hele uitdaging, vooral bij kankeronderzoek, " zei Antunes. "Het feit dat van dit specifieke peptide werd voorspeld dat het niet aan HLA's (menselijke leukocytantigenen) zou binden door op sequenties gebaseerde methoden, benadrukt een blinde vlek in onze huidige voorspellingscapaciteit.

"Door structurele analyse op te nemen, we kunnen de bijdrage van deze secundaire interacties aan peptidebinding en stabiliteit detecteren, hopelijk kunnen we betere doelen vinden voor de ontwikkeling van antivirale vaccins en op T-cellen gebaseerde kankerimmunotherapie, " hij zei.

De onderzoekers gebruikten hun simulaties om details te belichten over hoe het intracellulaire SARS-peptide, QFKDNVILL, bindt aan een MHC-receptoreiwit dat bekend staat als HLA-A*24:02, voornamelijk op dominante ankers aan beide uiteinden van het peptide (op posities 2 en 9) en presenteert ze voor inspectie aan de T-cellen van het immuunsysteem.

Stabiele binding van een peptide en MHC is een voorwaarde voor de activering van T-cellen, die op zoek zijn naar peptiden die normaal niet in gezonde cellen worden aangetroffen. Als het peptide en eiwit niet binden, de T-cel wordt niet gevraagd om aan te vallen.

"Zoveel was bekend uit eerdere studies van de gebonden en ongebonden toestanden van veel van dergelijke complexen, "Zei Kavraki. "Wat ze niet hebben vastgelegd, waren de tussenliggende toestanden en de overgangen die van de ene toestand naar de andere leiden, vooral het ontbinden.

"Ik denk dat dit de enige analyse is die de ontkoppeling van peptiden uit de MHC met atomaire resolutie laat zien, " zei Kavraki. "Andere peptiden hebben vergelijkbare kenmerken en we denken dat ze vergelijkbaar gedrag zouden hebben."

Al deze interacties werden in detail onthuld door Markov-toestandsmodellen die analyseren hoe systemen in de loop van de tijd veranderen. In dit geval, de modellen onthulden het belang van secundaire plaatsen die de primaire ankers van het peptide ondersteunen. Dat is waar positie 4 opviel.

"Er zijn de belangrijkste canonieke ankers die mensen kennen, maar er zijn secundaire interacties die bijdragen aan de binding en de stabiliteit, Antunes zei. "Deze zijn moeilijker te vangen, maar in deze studie het lijkt erop dat positie 4 een zeer belangrijke rol speelt. Als je het muteert, het beïnvloedt het gedrag van het peptide als het loskomt van het molecuul."

De onderzoekers modelleerden mutaties van de MHC om te zien hoe ze de binding zouden beïnvloeden en ontdekten dat ze het belang van positie 4 voor de stabiliteit van het complex ondersteunden.

"Onze computationele benadering was in staat om voorspellingen te doen over het effect van mutaties die vervolgens experimenteel worden geverifieerd, " zei co-auteur Cecilia Clementi, een voormalige Rice-professor die onlangs Einstein-hoogleraar natuurkunde werd aan de Vrije Universiteit van Berlijn.

De onderzoekers ontwikkelden een proces in twee fasen om de computationele complexiteit van analyse op atoomschaal van grote moleculen te vereenvoudigen. In de eerste fase werd een techniek gebruikt die paraplu-sampling wordt genoemd om de eerste verkenning van de moleculen te versnellen. De seconde, verkennende fase gebruikte adaptieve steekproeven, waarin simulaties worden aangedreven om de constructie van het Markov-model te versnellen.

"De uitdaging is dat deze MHC's behoorlijk grote systemen zijn voor computerchemici om te simuleren, " zei Abella, wiens onderzoek over het onderwerp een groot deel van zijn proefschrift vormde. "We moesten enkele benaderingen maken en gebruik maken van vooruitgang in deze klassen van methoden om vooruit te komen.

"We zijn niet de eersten die onbindend bestuderen, maar wat ons werk ten opzichte van anderen kenmerkt, is dat we de volledige atomaire resolutie behouden in onze simulaties, " zei hij. "Andere werken gebruiken een techniek die bekend staat als een Markov-keten Monte Carlo, overwegende dat we moleculaire dynamica gebruiken, waarmee we tijd in onze berekening kunnen opnemen om de kinetiek vast te leggen."

Hun methoden kunnen worden toegepast op andere peptide-MHC-complexen met bestaande 3D-modellen. "Dit was, In zekere zin, een haalbaarheidsstudie om aan te tonen dat we moleculaire dynamica kunnen gebruiken en een Markov-toestandsmodel kunnen bouwen van een systeem van deze omvang, ' zei Abella.

De onderzoekers merkten ook de relevantie van de studie op voor de huidige strijd tegen COVID-19, als het SARS-peptide dat ze bekeken, QFKDNVILL, lijkt sterk op het NFKDQVILL-peptide in SARS-CoV-2, met dezelfde bindzakken op positie 2, 4 en 9.

"Deze resultaten suggereren dat beide peptiden kunnen binden aan HLA-A * 24:02 en doelen kunnen bieden voor antivirale T-celreacties, die van groot belang zijn in het licht van de huidige pandemie, " zei co-auteur Gregory Lizée, een professor in de afdeling Melanoma Medical Oncology van MD Anderson. "Maar deze resultaten werpen ook licht op veel andere potentiële immuundoelen, inclusief die van andere virussen en zelfs menselijke kankers."

Kavraki merkte op dat experimenteel werk van langdurige medewerker Lizée en Kyle Jackson, een afgestudeerde onderzoeksassistent in het lab van Lizée die de gemuteerde eiwitten produceerde, waren van cruciaal belang om hun simulaties te valideren. Kavraki's eigen lab won een National Science Foundation (NSF) Rapid Response Research-beurs om fragmenten van SARS-CoV-2-virale eiwitten te helpen identificeren als mogelijke doelen voor de ontwikkeling van vaccins.