NMR as a tool for structural characterization of carbohydrates and glycan-protein interactions

Il virus dell’influenza A è un virus a RNA formato da 8 geni, tre dei quali - emagglutinina (HA), neuramminidasi (NA) e polimerasi (PB) –, risultano particolarmente critici nell’infezione e nella trasmissione uomo-uomo. L’infezione inizia con il legame dell’HA del virus ai recettori glicanici presenti sulle cellule dell’ospite; questa interazione è altamente specifica, ed è governata dal tipo di legame tra l’acido sialico e il galattosio all’interno del recettore. I recettori umani glicanici, siti di riconoscimento per i virus human-adapted, sono espressi principalmente nel tratto superiore dell’epitelio respiratorio umano e presentano un legame α2→6 tra l’acido sialico e il galattosio nell’estremità non riducente. I virus aviari invece, riconoscono recettori glicanici che presentano un legame α2→3 tra acido neuraminico e il galattosio. Studi precedenti dell’interazione tra HA e trisaccaridi hanno dimostrato che sia la conformazione dei glicani, che il diverso tipo di legame tra acido sialico e galattosio sono fattori chiave per la regolazione dell’interazione. Partendo dalle sopracitate considerazioni questo lavoro di ricerca si è occupato di studiare la dinamica e la conformazione in soluzione di due pentasaccaridi, usati come modelli per il recettore aviario (LSTa, Neu5Ac-α(2→3)-Gal-β(1→3)-GlcNAc-β(1→3)-Gal-β(1→4)-Glc) e umano (LSTc, Neu5Ac-α(2→6)-Gal-β(1→4)-GlcNAc-β(1→3)-Gal-β(1→4)-Glc), utilizzando tecniche NMR (Nuclear Magnetic Resonance) e simulazioni di dinamica molecolare (MD). I nostri studi dimostrano che in soluzione i due recettori presentano diverse conformazioni, dinamiche e topologie. Queste peculiarità uniche comportano caratteristiche molecolari diverse per il riconoscimento di HA, dimostrando quindi la specificità dell’interazione tra recettore e emagglutinina. La relazione tra la specificità dell’HA verso i recettori e la trasmissibilità del virus è stata precedentemente dimostrata usando il prototipo del virus SC18 (H1N1) A/South Carolina/1/1918. Combinando tecniche di Risonanza Magnetica Nucleare e di dinamica molecolare, abbiamo dimostrato come, durante l’interazione, il sito di binding dell’emagglutinina imponga differenti vincoli conformazionali al recettore. Il virus pandemico SC18, che presenta un’efficacia di trasmissione negli uomini molto alta, a confronto con il singolo (NY18, Asp225 → Gly) e doppio (AV18, Asp190 → Glu e Asp225 → Gly) mutante, impone maggiori vincoli alla conformazione del recettore umano, proprietà correlata all’affinità dell’interazione recettore-HA, misurata tramite saggi biochimici. Questa relazione tra affinità e vincoli conformazionali imposti al recettore è stata osservata anche per il virus aviario-adattato AV18, il quale impone vincoli conformazionali maggiori al recettore aviario in confronto a quelli imposti a quest’ultimo da NY18. In particolare, è interessante osservare come emagglutinine differenti impongano vincoli conformazionali diversi a seconda che leghino recettori umani o aviari. In ultimo, abbiamo esteso il nostro studio a un virus meno pandemico, H7N9, e due suoi mutanti, i quali sono in grado di legare sia il recettore umano che aviario, allo scopo di capire come avviene l’interazione tramite l’utilizzo di tecniche NMR e di dinamica molecolare. In questo studio descriviamo le basi strutturali dell’interazione tra l’emagglutinina di nuovi virus e i recettori umani e aviari, combinando l’approccio sperimentale a tecniche computazionali. Questa metodologia potrà essere usata come strumento utile per la sorveglianza di nuovi virus pandemici.