Molecular insights into the binding variance of the SARS-CoV-2 spike with human, cat and dog ACE2 proteins

文献情報

出版日 2021-06-03
DOI 10.1039/D1CP01611C
インパクトファクター 3.676
著者

Yongjian Zang, Xuhua Li, Yizhen Zhao, He Wang, Dongxiao Hao, Lei Zhang, Zhiwei Yang, Xiaohui Yuan, Shengli Zhang


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要旨

SARS-CoV-2 has recently caused an epidemic in humans and poses a huge threat to global public health. As a primary receptor of SARS-CoV-2, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) exists in different hosts that are in close contact with humans, especially cats and dogs. However, the underlying mechanism of how the spike receptor binding domain (RBD) of SARS-CoV-2 cooperates with human ACE2 (hACE2), cat ACE2 (cACE2) and dog ACE2 (dACE2) and the variation in binding remains largely unsolved. Therefore, we explored the binding behavior of the spike RBD with cACE2, dACE2 and hACE2 via all-atom molecular dynamics simulations. In accordance with the binding free energies and residue interactions, the spike RBD has respective binding specificities with cACE2, dACE2 and hACE2, and the binding affinities decrease in the order of hACE2, cACE2, dACE2, mainly due to changes in the amino acids Q24L, H34Y, and M82T in cACE2 or dACE2. Furthermore, alanine scanning analysis results validated some key residues of the spike RBD interact with ACE2 and provided clues to the variation of amino acid that could influence the transmissibility or immune responses of SARS-CoV-2. Decreasing dynamic correlations strengths of ACE2 with the RBD were found in all hACE2–RBD, cACE2–RBD and dACE2–RBD systems. The ACE2 protein shows variable motion modes across the zinc metallopeptidase domain, which induces different interactions between ACE2 and the RBD. Our studies reveal that the motion pattern of the zinc metallopeptidase domain is critical to the binding behavior of RBD with ACE2. These findings could aid our understanding of selective recognition involving various ACE2 with the SARS-CoV-2 spike and shed further light on the binding mechanisms.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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