La glucoproteína de la espícula, más conocida como proteína de la espícula (en inglés: spike protein, S), antes conocida como E2, es la más grande de las cuatro principales proteínas estructurales que se encuentran en los coronavirus. La proteína de la espícula se ensambla en trímeros que forman grandes estructuras, llamadas espículas o peplómeros, que se proyectan desde la superficie del virión . La apariencia distintiva de estas espículas cuando se visualiza usando microscopía electrónica de transmisión de tinción negativa, "recuerda la corona solar", le da a la familia del virus su nombre.

La función de la glucoproteína de la espícula es mediar la entrada viral en la célula huésped interactuando primero con moléculas en la superficie exterior de la célula y luego fusionando las membranas viral y celular. La glucoproteína de la espícula es una proteína de fusión de clase I que contiene dos regiones, conocidas como S1 y S2, responsables de estas dos funciones. La región S1 contiene el dominio de unión al receptor que se une a los receptores en la superficie celular. Los coronavirus utilizan una gama muy diversa de receptores; El SARS-CoV (que causa el SARS) y el SARS-CoV-2 (que causa el COVID-19 ) interactúan con la enzima convertidora de angiotensina 2 (ECA2). La región S2 contiene el péptido de fusión y otra infraestructura de fusión necesaria para la fusión de la membrana con la célula huésped, un paso necesario para la infección y la replicación viral . La glucoproteína de la espícula determina el rango de hospedadores del virus (qué organismos puede infectar) y el tropismo celular (qué células o tejidos puede infectar dentro de un organismo).

La glucoproteína de la espícula es altamente inmunogénica . Los anticuerpos contra la glucoproteína de la espícula se encuentran en pacientes recuperados del SARS y de la COVID-19. Los anticuerpos neutralizantes se dirigen a los epítopos del dominio de unión al receptor. La mayoría de los esfuerzos de desarrollo de la vacuna contra la COVID-19 en respuesta a la pandemia tienen como objetivo activar el sistema inmunológico contra la proteína de la espícula.

Estructura izquierda|miniaturadeimagen| Estructura de criomicroscopía electrónica de un trímero de proteína de la espícula de SARS-CoV-2 en la conformación previa a la fusión, con un solo monómero resaltado. El S1 NTD se muestra en azul y el S1 CTD (que sirve como dominio de unión al receptor) se muestra en rosa. Las hélices se muestran en naranja y cian como partes de S2 que sufrirán cambios conformacionales durante la fusión. La barra negra en la parte inferior indica la posición de la membrana viral. De . La proteína de la espícula es muy grande, a menudo de 1200-1400 residuos de aminoácidos de longitud; son 1273 residuos en SARS-CoV-2 . Es una proteína transmembrana de un solo paso con una cola C-terminal corta en el interior del virus, una hélice transmembrana y un ectodominio N-terminal grande expuesto en el exterior del virus.

La glucoproteína de la espícula forma homotrímeros en los que interactúan tres copias de la proteína a través de sus ectodominios. Las estructuras del trímero se han descrito como en forma de pera o pétalo. Cada proteína de la espícula contiene dos regiones conocidas como S1 y S2, y en el trímero ensamblado, las regiones S1 en el extremo N-terminal forman la porción de la proteína más alejada de la superficie viral, mientras que las regiones S2 forman un "tallo" flexible que contiene la mayor parte de las interacciones proteína-proteína que mantienen el trímero en su lugar.

S1 La región S1 de la glucoproteína de la espícula es responsable de interactuar con las moléculas receptoras en la superficie de la célula huésped en el primer paso de la entrada viral . S1 contiene dos dominios, llamados dominio N-terminal (NTD) y dominio C-terminal (CTD), veces también conocido como dominios A y B. Dependiendo del coronavirus, se pueden usar uno o ambos dominios como dominios de unión al receptor (RBD). Los receptores diana pueden ser muy diversos, incluyendo proteínas receptoras de superficie celular y azúcares como los ácidos siálicos como receptores o correceptores. En general, el DTN se une a las moléculas de azúcar mientras que el CTD se une a las proteínas, con la excepción del virus de la hepatitis del ratón, que usa su DTN para interactuar con un receptor de proteína llamado CEACAM1 . El NTD tiene un pliegue proteico similar a la galectina, pero se une a las moléculas de azúcar de manera algo diferente que las galectinas.

El CTD es responsable de las interacciones de MERS-CoV con su receptor dipeptidil peptidasa-4, y los de SARS-CoV y SARS-CoV-2 con su receptor de la enzima convertidora de angiotensina 2 (ECA2). El CTD de estos virus se puede dividir en dos subdominios, conocidos como núcleo y bucle extendido o motivo de unión al receptor (RBM), donde se encuentran la mayoría de los residuos que contactan directamente con el receptor diana. Existen diferencias sutiles, principalmente en la RBM, entre las interacciones de las proteínas de la espícula SARS-CoV y SARS-CoV-2 con ECA2. Las comparaciones de proteínas de la espícula de múltiples coronavirus sugieren que la divergencia en la región RBM puede explicar las diferencias en los receptores diana, incluso cuando el núcleo del S1 CTD es estructuralmente muy similar.

Dentro de los linajes de coronavirus, así como en los cuatro subgrupos principales de coronavirus, la región S1 está menos conservada que la S2, como corresponde a su papel en la interacción con receptores de células huésped específicas de virus. Dentro de la región S1, la NTD está más altamente conservada que la CTD.

S2 La región S2 de la glucoproteína de la espícula es responsable de la fusión de la membrana entre la envoltura viral y la célula huésped, lo que permite la entrada del genoma del virus en la célula. La región S2 contiene el péptido de fusión, un tramo de aminoácidos principalmente hidrófobos cuya función es entrar y desestabilizar la membrana de la célula huésped. S2 también contiene dos subdominios de repetición de heptada conocidos como HR1 y HR2, a veces denominados región del "núcleo de fusión". Estos subdominios experimentan cambios conformacionales dramáticos durante el proceso de fusión para formar un haz de seis hélices, un rasgo característico de las proteínas de fusión de clase I. También se considera que la región S2 incluye la hélice transmembrana y la cola C-terminal ubicada en el interior del virión.

En contraste con S1, la región S2 está muy bien conservada entre los coronavirus.

Modificaciones postraduccionales derecha|miniaturadeimagen| Proteína de la espícula ilustrada con y sin glucosilación . La glucoproteína de la espícula está fuertemente glucosilada a través de la N-glucosilación. Los estudios de la proteína de la espícula de SARS-CoV-2 también han informado de la O-glucosilación en la región S1. La cola C-terminal, ubicada en el interior del virión, está enriquecida en residuos de cisteína y está palmitoilada .

El glicano ligado O crea un escudo que oculta la proteína S de ser reconocida por los anticuerpos.

Las proteínas de la espícula se activan a través de la escisión proteolítica . Son escindidas por proteasas de la célula huésped en el límite S1-S2 y más tarde en lo que se conoce como el sitio S2 'en el extremo N-terminal del péptido de fusión.

Cambio conformacional Al igual que otras proteínas de fusión de clase I, la proteína de la espícula sufre un cambio conformacional muy grande durante el proceso de fusión. Los estados de prefusión y posfusión de varios coronavirus, especialmente SARS-CoV-2, han sido estudiados por criomicroscopía electrónica . También se ha observado una dinámica de proteínas funcionalmente importante dentro del estado previo a la fusión, en el que las orientaciones relativas de algunas de las regiones S1 con respecto a S2 en un trímero pueden variar. En el estado cerrado, las tres regiones S1 están empaquetadas estrechamente y la región que hace contacto con los receptores de la célula huésped es estéricamente inaccesible, mientras que los estados abiertos tienen uno o dos RBD S1 más accesibles para la unión del receptor, en una conformación abierta o "hacia arriba". . miniaturadeimagen| Micrografía electrónica de transmisión de un virión de SARS-CoV-2, que muestra el aspecto característico de "corona" con las proteínas de punta (verde) formando proyecciones prominentes desde la superficie del virión (amarillo).

Expresión y localización El gen que codifica la proteína de la espícula se encuentra hacia el extremo 3 ' del genoma del ARN de sentido positivo del virus, junto con los genes de las otras tres proteínas estructurales y varias proteínas accesorias específicas del virus. El tráfico de proteínas de las proteínas de la espícula parece depender del subgrupo de coronavirus: cuando se expresan de forma aislada sin otras proteínas virales, las proteínas de la espícula de betacoronavirus pueden alcanzar la superficie celular, mientras que las de alfacoronavirus y gammacoronavirus se retienen intracelularmente. En presencia de la proteína M, el tráfico de la proteína de la espícula se altera y, en cambio, se retiene en el ERGIC, el sitio en el que se produce el ensamblaje viral. En el SARS-CoV-2, tanto la proteína M como la E modulan el tráfico de proteínas de la espícula a través de diferentes mecanismos. izquierda|miniaturadeimagen| Ilustración de un virión de coronavirus en la mucosa respiratoria, que muestra las posiciones de las cuatro proteínas estructurales y componentes del entorno extracelular. La proteína de la espícula no es necesaria para el ensamblaje viral o la formación de partículas similares a virus; sin embargo, la presencia de las espículas puede influir en el tamaño de la envoltura viral. La incorporación de la proteína espícula en los viriones durante el ensamblaje y la gemación depende de las interacciones proteína-proteína con la proteína M a través de la cola C-terminal. El examen de viriones mediante microscopía crioelectrónica sugiere que hay aproximadamente de 25 a 100 trímeros de espículas por virión.

Función La proteína de la espícula es responsable de la entrada viral en la célula huésped, un paso inicial requerido en la replicación viral . Es fundamental para la replicación. Realiza esta función en dos pasos, primero se une a un receptor en la superficie de la célula huésped a través de interacciones con la región S1, y luego fusiona las membranas viral y celular a través de la acción de la región S2. La ubicación de la fusión varía según el coronavirus específico, algunos pueden ingresar a la membrana plasmática y otros ingresan desde los endosomas después de la endocitosis .

Interacción con diana celular La interacción del dominio de unión al receptor en la región S1 con su receptor diana en la superficie celular inicia el proceso de entrada viral. Los diferentes coronavirus se dirigen a diferentes receptores de la superficie celular, a veces utilizando moléculas de azúcar como el ácido siálico o formando interacciones proteína-proteína con proteínas expuestas en la superficie celular. Los diferentes coronavirus varían ampliamente en su receptor objetivo. La presencia de un receptor diana al que S1 puede unirse es un determinante del rango de hospedadores y del tropismo celular .