Protéase 3C-like

Le nom 3C-like (en français « de type 3C ») provient des similitudes de cette molécule avec la picornaïne 3C (en), protéase codée dans le génome des picornavirus. La dénomination « 3C » des picornavirus a été actée dans une convention établie à la suite d'une décision prise lors de la 3^e réunion du Groupe d'étude européen sur la biologie moléculaire des picornavirus[alpha 3] (EUROPIC) tenue du 5 au 10 septembre 1983 à Urbin en Italie. Cette dénomination est liée à la position de la protéase dans la polyprotéine des picornavirus selon un schéma idéalisé de cette polyprotéine, appelé diagramme L434, selon lequel cette polyprotéine est constituée d'une séquence « leader » (L) suivie de trois régions (P1, P2 et P3) comportant respectivement 4, 3 et 4 protéines. La protéase 3C est située dans la troisième région (d'où le chiffre 3), en troisième position (d'où la lettre C)[2].

Dans la nomenclature EC, la protéase 3C-like porte la référence EC 3.4.22.69.

Dans la littérature scientifique on trouve parfois l'appellation 3-chymotrypsin-like, 3CL^pro présente en effet quelques similitudes avec la chymotrypsine, une peptidase du pancréas.

En 1989, des chercheurs américains et soviétiques décodent le gène 1 du coronavirus murin[alpha 4]. Ce travail montre la présence d'une séquence codant potentiellement une protéase du même type que les protéases 3C codées dans le génome des picornavirus[3]. En 1995, une équipe de chercheurs américains confirme la production d'une protéase de type 3C à partir du génome du virus MHV-A59 (une souche du coronavirus murin), elle confirme également l'existence d'au moins un site de clivage dans la polyprotéine virale. L'étude a aussi démontré que les résidus d'acides aminés His41 et Cys145 étaient essentiels pour l'activité catalytique de la protéase[4].

Le génome des coronavirus est formé d'un simple brin d'ARN positif qui contient, à son extrémité 5’, un cadre de lecture ouvert codant les protéines non structurales du complexe de réplicase-transcriptase, dénommé ORF1, qui contient lui-même deux cadres de lecture ouverts qui se chevauchent (nommés ORF1a et ORF1b) et qui codent deux polyprotéines appelées pp1a (codée par ORF1a) et pp1ab (codée par ORF1a et ORF1b). ORF1a se termine par un codon-stop et la traduction de ORF1b ne peut donc se faire que lorsque se produit un décalage du cadre de lecture (d'un nucléotide) causé par la séquence glissante U_UU.A_AA.C[alpha 5] suivie quelques nucléotides plus loin par un pseudonœud, sur le brin d'ARN. Ce décalage permet de ne pas interpréter le codon-stop et donc de continuer la traduction du brin d'ARN. Le décalage se produit en moyenne dans environ 30 % des traductions de l'ARN, les protéines codées par ORF1a seront donc produites en beaucoup plus grand nombre que celles codées par ORF1b[5]. Les polyprotéines contiennent chacune deux protéases : la protéase principale 3CL^pro (en 5^e position[alpha 6]) et la protéase papain-like[alpha 7] PL^pro (en 3^e position).

3CL^pro est une protéine qui a été fortement conservée au cours de l'évolution, elle est très semblable d'un coronavirus à l'autre.

3CL^pro n'est active que sous la forme d'un homodimère, c'est-à-dire constituée de deux sous-unités protéiques (monomères) identiques. Ces deux unités sont disposées perpendiculairement l'une par rapport à l'autre. Chaque sous-unité, d'environ 300 acides aminés, contient trois domaines différents[6], dénommés I, II et III.

Le domaine III, qui contient des structures en hélice α, intervient dans la régulation de la dimérisation de 3CL^pro. Une chaîne longue relie le domaine III au domaine II. Les extrémités N et C de chacun des monomères sont situées à l'interface entre les deux monomères.

Le site de liaison au substrat (la molécule qui va être clivée) de chaque monomère est situé dans une cavité profonde, formée par deux tonneaux β comme dans la chymotrypsine, entre les domaines II et III. Le site actif catalytique est situé au centre de cette cavité[7], il est formé par un résidu d'acide aminé histidine situé en 41^e position (His41) de la chaîne protéique et un résidu de cystéine situé en 145^e position (Cys145)[8]. Contrairement à la chymotrypsine, il n'a pas été découvert de troisième résidu intervenant dans l'activité catalytique, il s'agit donc d'une dyade et non d'une triade catalytique. Une molécule d'eau est liée par une liaison hydrogène au résidu His41, cette molécule d'eau pourrait jouer le rôle habituellement tenu par le troisième résidu catalytique (acide aspartique) de la triade des protéases à sérine[9].

3CL^pro est indispensable à la réplication des coronavirus et elle n'est pas présente naturellement dans les cellules humaines non infectées, de ce fait les inhibiteurs de cette protéase sont des candidats très intéressants pour combattre les infections de coronavirus pathogènes[15], comme le SARS-CoV ou le SARS-CoV-2.

Le 6 avril 2021 le groupe pharmaceutique américain Pfizer a dévoilé la structure d'un inhibiteur enzymatique de la protéase 3CL^pro, le nirmatrelvir, anciennement PF-07321332, montrant une affinité nanomolaire avec la protéase et capable de supprimer la réplication du virus SARS-CoV-2 dans les cellules humaines à des concentrations sous-micromolaires. Des simulations de dynamique moléculaire semblent indiquer un mécanisme d'inhibition en deux étapes : d'abord une liaison non covalente avec la dyade catalytique de la protéase dans un état neutre, puis la formation d'un couple ionique thiolate-imidazolium et la relocalisation du ligand pour finaliser l'attaque électrophile[16].

Pfizer a développé un traitement contre la Covid-19, dénommé Paxlovid, mettant en œuvre cet inhibiteur en combinaison avec le ritonavir. En novembre 2021, Pfizer annonce que des résultats intermédiaires d'un essai clinique de ce traitement montre une efficacité de 89% sur la réduction du risque d'hospitalisation et de décès, lorsque le traitement débute moins de 5 jours après l'apparition des symptômes[17]. Le 22 décembre 2021, la FDA annonce l'autorisation d'utilisation en urgence (Emergency Use Authorization) du Paxlovid pour le traitement de la Covid-19 aux États-Unis, pour certaines catégories de patients[18]. L'agence européenne des médicaments avait fait de même le 16 décembre sur le territoire de l'Union européenne.