Dinámica esencial y canalización estructural inducida en las variantes de SARS-CoV-2

Abstract

Desde su aparición, el virus SARS-CoV-2 ha demostrado una notable resiliencia genética y capacidad de adaptación, acumulando mutaciones en el dominio de unión al receptor (RBD) de la proteína spike modificando la dinámica estructural de esta proteína sin comprometer su función. El presente trabajo se realizó en este marco, habiendo finalizado la pandemia de COVID-19 y con las dudas que surgieron sobre la historia evolutiva del virus. Para ello se realizaron simulaciones de dinámica molecular de la proteína spike de cinco variantes de interés: WuhanHu-1, alpha, gamma, delta y omicron BA.1. Posteriormente, se hizo un análisis estructural de la interfaz de interacción y la dinámica esencial con un análisis de componentes principales (PCA) para explorar la estabilidad, flexibilidad y modos de movimiento de la proteína en cuestión. El objetivo del trabajo consistió en identificar patrones de reorganización, la dinámica colectiva y los modos de movimiento, que expliquen la capacidad del virus para mantener la función pese a la acumulación de mutaciones. Lo resultados mostraron que la proteína se mantiene estable, aunque existen diferencias locales: la variante alpha reorganiza la red de interacciones gracias a la mutación N501Y, la variante gamma (K417T) y la variante delta (L452R y T478K) pierden interacciones críticas y la variante omicron BA.1 compensa la pérdida de contactos con la aparición de nuevas interacciones polares (Q493R con E35 y Q498R con D38). El análisis de PCA confirmó que el complejo wild type y gamma concentran la varianza, mientras que las otras variantes dispersan la varianza debido a la complejidad estructural.En conjunto, los resultados del presente trabajo evidencian que existe un proceso de canalización estructural inducido por mutaciones y epistasis intramolecular (mutaciones compensatorias), donde las mutaciones permiten una reorganización asegurando su apropiada, desde el punto de vista de supervivencia del virus, interacción con los receptores en la célula del huésped.

Since its emergence, the SARS-CoV-2 virus has demonstrated remarkable genetic resilience and adaptability, accumulating mutations in the receptor-binding domain (RBD) of the spike protein that modify the structural dynamics of this protein without compromising its function.The present work was carried out within this framework, after the end of the COVID-19 pandemic and in light of the questions that arose regarding the evolutionary history of the virus. To this end, molecular dynamics simulations were performed on the spike protein of five variants of interest: WuhanHu-1, alpha, gamma, delta, and omicron BA.1. Subsequently, a structural analysis of the interaction interface and essential dynamics was conducted using principal component analysis (PCA) to explore the stability, flexibility, and modes of motion of the protein in question. The aim of the study was to identify patterns of reorganization, collective dynamics, and modes of motion that explain the virus’s ability to maintain function despite the accumulation of mutations. The results showed that the protein remains stable, although local differences exist: the alpha variant reorganizes the interaction network thanks to the N501Y mutation; the gamma variant (K417T) and the delta variant (L452R and T478K) lose critical interactions; and the omicron BA.1 variant compensates for the loss of contacts through the emergence of new polar interactions (Q493R with E35 and Q493R with D38). PCA analysis confirmed that the wild-type complex and gamma concentrate the variance, while the other variants disperse the variance due to structural complexity.Taken together, the results of this work provide evidence of a process of structural canalization induced by mutations and an intramolecular epistasis (compensatory mutations), in which mutations enable a reorganization that ensures, from the perspective of viral survival, appropriate interaction with host cell receptors.