Structural insights into coronavirus binding to host aminopeptidase N and interaction dynamics

• Autores: Gaurav Mudgal
• Directores de la Tesis: José María Casasnovas Suelves (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2014
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Enjuanes (presid.), José María Almendral del Río (secret.), José Antonio Melero Fondevilla (voc.), Grazyna Teresa Kochan (voc.), Mark J. Van Raaij (voc.)
• Materias:
  • Ciencias médicas
    • Medicina interna
      • Enfermedades infecciosas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • Coronaviruses (CoV) are large enveloped RNA viruses of animals and humans associated mostly with enteric and respiratory diseases. These viruses were earlier considered more of a veterinary interest and were associated to humans with mild flu. The last decade brought outbreaks with high mortality rates caused by CoV transmission from animals to man. This remarkable cross-species transmission potential is related to CoV adaptation to a variety of cell surface molecules for entry into host cells. The CoV particles bear exposed spike (S) proteins in their envelope that attach to specific cell entry receptors, which determines CoV host cell range and tropism. CoV can recognize diverse entry receptors, but they preferentially use membrane bound ectoenzymes. A subset of CoV recognizes the cell surface aminopeptidase N (APN), a membrane-bound metalloprotease. APN (CD13) is a ¿moonlighting¿ ectoenzyme linked to multiple functions such as angiogenesis, cell-cell adhesion and tumorogenesis. It cleaves neutral amino acid side chains from the N-terminus of oligopeptides, it is distributed in wide variety of tissues its expression is dysregulated in tumors. APN is an important target for cancer therapies and anti-inflammatory drug design, as well as a major CoV entry receptor. This Thesis presents an extensive structural study on mammalian APN ectodomains as well as its function as CoV receptor. APN crystal structures revealed ectodomain architecture, dimerization and motions important for peptide hydrolysis and CoV recognition. Allosteric inhibition of APN catalysis can be mediated by the suppression of APN movements. Moreover, the crystal structure of a porcine CoV spike fragment bound to the pig APN (pAPN) ectodomain uncovers how CoV bind to its APN receptor. A protruding receptor-binding edge in the S penetrates in small APN cavities, a receptor-binding mode distinct from other CoV-receptor interactions. CoV specifically bind to the open APN conformation. Structure-guided studies identified key virus and receptor motifs at the CoV-APN binding interface and they show that the receptor-binding region is a major antigenic determinant in CoV binding to APN. CoV neutralizing antibodies target key receptor-binding residues, showing that they prevent CoV binding to the APN receptor and infection. The Thesis provides a compelling view on CoV cell entry and neutralization, as well as important structural insights to understand the multifunctional APN protein.

    Los coronavirus (CoV) son virus ARN con envuelta responsables de enfermedades entéricas y respiratorias en animales y humanos. Estos virus fueron inicialmente considerados de interés veterinario y se asociaron con resfriados en humanos. La última década trajo infecciones de CoV con altas tasas de mortalidad, causadas por la transmisión de CoV animales a humanos. Este potencial de transmisión transversal entre especies está relacionado con la adaptación CoV al uso de diferentes moléculas de la superficie celular para la entrada en la célula huésped. Las partículas CoV contienen espículas (S) expuestas en la envuelta que adhieren las particulas virales a receptores para su penetración en la célula, que determina el tipo de células permisivas para CoV y su tropismo. Los CoV pueden reconocer diversos receptores para la entrada, pero preferentemente utilizan ectoenzimas. Un grupo de CoV reconoce la aminopeptidasa N (APN), una metaloproteasa unida a la membrana celular. APN (CD13) es una ectoenzima que se ha relacionado múltiples funciones, tales como la angiogénesis, la adhesión célula-célula y la tumorogénesis. Esta proteína hidroliza aminoácidos N-terminales neutros en oligopéptidos, se encuentra en gran variedad de tejidos y su expresión aumenta en tumores. APN es una diana importante de terapias contra el cáncer y de fármacos anti-inflamatorios, así como un receptor para la entrada CoV en la célula. Esta tesis presenta un extenso estudio estructural sobre los ectodominios de APN de mamíferos, así como sobre su función como receptor de CoV. Las estructuras cristalográficas de la APN revelaron la arquitectura modular de su ectodominio, dimerización y los movimientos del mismo, importantes para la catálisis y el reconocimiento de CoV. Se muestra la posible inhibición alostérica de la actividad catalítics de la APN mediante la supresión de los cambios conformacionales de la APN. Asimismo, la estructura cristalográfica de un fragmento de la espícula de un CoV porcino unido al ectodominio de la APN de cerdo, han identificado cómo los CoV se unen a su receptor. Una región expuesta en la proteína S del CoV penetra en pequeñas cavidades de la APN; este modo de unión al receptor es distinto de otras interacciones CoV-receptor descritas. Los CoV se unen específicamente a la conformación abierta de la APN. Estudios funcionales identificaron motivos clave para la unión del virus y receptor y muestran que la región de unión al receptor es un determinante antigénico en CoV, reconocido por anticuerpos neutralizantes, que inhiben la unión de los CoV a la APN y la infección. La Tesis proporciona una visión general sobre la entrada de CoV en el huésped y su neutralización, así como importantes puntos de vista estructurales para comprender las múltiples funciones de la APN