Une nouvelle étude publiée sur le serveur de préimpression bioRxiv* décrit comment les anticorps monoclonaux dirigés contre le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2) sont affectés par des mutations dans le site de liaison des anticorps. Cette découverte pourrait aider à concevoir des anticorps monoclonaux plus récents et de meilleure qualité qui conservent une activité de neutralisation contre le virus.
Étudier: Des mutations dans les variantes du SRAS-CoV-2 modulent la dynamique microscopique des anticorps neutralisants. Crédit d’image : Georgexl/Shutterstock.com
Sommaire
Contexte
Le SRAS-CoV-2, qui est le virus responsable de la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19), a causé la mort de plus de 4,4 millions de personnes dans le monde, ce qui en fait la plus grande pandémie depuis 1918. À ce jour, il n’y a pas d’antiviraux spécifiques disponible pour traiter le SRAS-CoV-2. En conséquence, la communauté des chercheurs s’est tournée vers la réutilisation de médicaments et le développement d’anticorps monoclonaux pour lutter contre le virus.
L’enveloppe virale du SARS-CoV-2 est recouverte de la glycoprotéine de pointe. La protéine de pointe médie l’engagement viral avec le récepteur de l’enzyme de conversion de l’angiotensine 2 (ACE2) de la cellule hôte qui permet finalement l’entrée virale dans la cellule.
La plupart des vaccins COVID-19 actuels utilisent l’antigène de pointe pour générer des anticorps et une immunité cellulaire, y compris des cellules mémoire, pour reconnaître et neutraliser le virus. Le domaine de liaison au récepteur de pointe (RBD) est l’une des principales cibles de nombreux anticorps monoclonaux (MAb), ainsi que de ceux provoqués par une infection naturelle.
Les MAb sont générés par des cellules B clonées qui proviennent d’une seule cellule mère. Tous les MAb ont la même séquence protéique et se lient à l’épitope cible avec une affinité et une spécificité antigénique élevées.
Le plasma de convalescent (PC) transfère également des anticorps spécifiques au receveur; cependant, contrairement aux MAb, la CP comporte un risque de maladie transmissible par le sang. À ce jour, les deux MAb de Bamlanivimab et REGN-COV2 ont obtenu une autorisation d’utilisation d’urgence (EUA) par la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis.
De nouvelles variantes émergent
L’émergence de nouvelles variantes potentiellement résistantes du SRAS-CoV-2 pose un défi formidable à l’efficacité des MAb et des vaccins actuels. Ces variants portent de multiples mutations dans le RBD, comme la mutation N501Y dans le variant alpha (B.1.1.7), qui est rapidement devenue la souche circulante dominante dans le monde après son identification fin 2020.
Le N501Y est associé à l’évasion immunitaire, bien qu’il soit neutralisé par les anticorps et les MAb actuels provoqués par le vaccin. Le variant bêta (B.1351) porte les mutations K417N et E484K dans son RBD et est dix fois moins capable d’être neutralisé par ces anticorps.
Comparativement, le variant kappa B.1.617 porte les mutations RBD L452R et E484Q, tandis que le variant delta B.1.617.2 a une infectivité 50 à 67 % supérieure à celle de la souche parentale. Les variantes alpha, bêta et delta ont toutes été qualifiées de variantes préoccupantes (COV), car elles résistent à la neutralisation, sont plus contagieuses, ou les deux.
Explorer les interactions RBD-ACE2
La présente étude a examiné les caractéristiques biologiques modifiées des mutants en termes d’interactions directes et allostériques entre le mutant RBD et le récepteur ACE2.
Les chercheurs ont utilisé des simulations de dynamique moléculaire (MD) pour comprendre les perturbations dynamiques qui se produisent à l’interface RBD-ACE2. À cette fin, quatre RBD ont été analysés dans la présente étude, l’un étant le type sauvage et les autres obtenus à partir des variantes alpha, bêta et kappa. Les auteurs ont également utilisé deux anticorps de B38 et BD23, qui ont au moins deux des quatre résidus mutés dans ces variantes RBD.
Ces anticorps provenaient de CP, chacun avec une chaîne lourde et une chaîne légère, appelées A et B, respectivement. Le fragment de liaison à l’antigène (Fab) de B38 est plus petit que celui de BD23. De plus, B38 a les résidus RBD 417 et 501, tandis que l’épitope BD23 contient les résidus 452, 484 et 501.
À propos de l’étude
L’effet de chaque RBD mutant sur la structure, par rapport au virus de type sauvage, a été examiné. Le complexe antigène-anticorps formé par chaque mutant a ensuite été étudié pour les interactions allostériques.
Le mécanisme par lequel le complexe se dissocie a également été exploré pour chaque mutant par des simulations de traction hors équilibre et ensuite testé contre les forces d’enthalpie et de liaison hydrogène.
Résultats de l’étude
Le RBD est un système relativement rigide en raison des nombreuses configurations de feuille bêta. Comparativement, les anticorps sont très flexibles en raison de leurs grands changements de conformation, comme le montre la déviation quadratique moyenne (RMSD) élevée. Cependant, BD23 est uniformément flexible, ce qui est comparable à B38, dont le domaine distant est beaucoup plus flexible que le domaine de liaison à l’antigène.
Les complexes RBD-anticorps de type sauvage et mutant sont similaires dans leur fluctuation globale de la moyenne quadratique (RMSF). À des résidus spécifiques, la flexibilité a changé de façon marquée dans les états liés et non liés aux résidus 452, 484 et 501, désignés par différents RMSF.
Les mutations E484Q et N501Y se trouvent dans la région comprenant les résidus 460-510, où les deux anticorps se lient. Le plus grand changement de flexibilité est dans la boucle formée par les résidus 470-490, avec les variantes kappa et alpha montrant une flexibilité 2-3 fois plus grande et plus faible, respectivement. Notamment, la flexibilité de la boucle était la plus élevée dans l’état non lié.
Avec le complexe B38-Fab, le K/Q484 et les résidus adjacents deviennent deux fois plus flexibles que le résidu E484 de type sauvage. Comparativement, pour le BD23-Fab, le RMSF chute de moitié. Le RBD mutant L452R-E484Q est le plus rigide dans le complexe et le plus flexible non lié.
Fait intéressant, les mutants N501Y et K417N-E484K-N501Y ont montré l’augmentation globale la plus élevée de flexibilité dans le complexe avec des anticorps, mais aucun changement dans le RMSF lorsqu’il n’est pas lié.
La structure des complexes RBD-anticorps pour les deux anticorps neutralisants, BD23 et B38-Fab, étudiée dans ce travail. Chaque anticorps possède deux chaînes : la chaîne lourde et la chaîne légère. Nous appelons la chaîne lourde la chaîne A et la chaîne légère la chaîne B. La chaîne A est colorée en vert et la chaîne B est colorée en jaune. Le RBD est de couleur cyan. Nous définissons le domaine de liaison à l’antigène (ABD) de l’Ab comme le domaine de l’anticorps qui entre en contact avec le RBD. Le reste de l’anticorps est appelé domaine distant (DD). La fraction glycane sur Asn343 est représentée dans la réglisse. Les résidus qui sont mutés dans les variants étudiés sont représentés sous forme de sphères colorées avec le schéma de couleurs suivant : K417 (rouge), L452 (orange), E484 (bleu) et N501 (rose).
Anticorps RMSF
« Il [the antibody RMFS change] sert de preuve directe que les perturbations secondaires résultant de mutations dans l’épitope antigénique peuvent influencer la dynamique microscopique de l’anticorps. «
Les mutations dans les résidus d’anticorps ne provoquent que de petits changements dans l’ensemble, car elles se produisent en dehors du domaine protéique, avec une liaison non covalente entraînant des perturbations secondaires.
Dans la variante N501Y, un plus grand nombre de changements de flexibilité se produisent dans le complexe BD23-Fab par rapport au complexe B38-Fab. L’augmentation de la rigidité était plus prononcée pour le BD23. Cela est probablement dû à sa plus petite taille qui fait que la mutation N501Y subit un mouvement dynamique exagéré propagé à travers l’ensemble de la molécule d’anticorps.
Pour la variante bêta, la co-occurrence de K417N et E484K contrecarre cet effet en ramenant le RMSF près de celui du type sauvage. Avec la souche kappa, L452R et E484Q réduisent la flexibilité des anticorps, en particulier dans le domaine distant.
Effets allostériques
Le complexe B38-Fab a également révélé d’importants changements de corrélation avec les résidus d’anticorps avec des mutations dans le RBD et les résidus adjacents. Dans l’ensemble, la mutation d’un seul résidu RBD peut perturber fortement et à longue distance la liaison anticorps-RBD.
Cette découverte est restée vraie pour les mutations de N501Y, N417 dans le mutant K417N-E484K-N501Y, R452 et Q484 dans le variant L452R-E484Q, ainsi que les voisins de chaque mutant. Cela indique un flux d’informations allostériques entre l’anticorps et le RBD.
Dans BD23-Fab avec le mutant K417N-E484K-N501Y, le même changement a été observé mais dans une moindre mesure.
Le changement de corrélation entre les résidus d’anticorps et de RBD était prononcé dans certaines régions du domaine de liaison à l’antigène. En fait, des résidus spécifiques présentaient des changements significatifs en raison à la fois des résidus altérés et de ceux associés à l’ensemble du RBD.
Alors que B38 se lie plus fortement à la variante alpha, BD23 montre la tendance inverse, se liant plus fortement à la variante bêta. Apparemment, le flux d’informations entre les résidus de liaison et d’interaction est assez différent entre les deux anticorps.
Le rôle joué par les résidus dans le flux d’information allostérique
À l’aide d’un modèle de réseau de connectivité graphique de protéines, les chercheurs de la présente étude ont découvert que dans B38-Fab, les modifications du flux d’informations allostériques avec ces mutations se produisent principalement dans les résidus du domaine de liaison à l’antigène.
La propagation de la corrélation locale à travers les chaînes d’acides aminés conduit à des changements dynamiques sur une longue distance. Plus spécifiquement, les résidus 23-30 dans la chaîne B près de N501Y semblent se changer en résidus 92-98 dans la chaîne A près des mutations K417N et E484K/Q.
L’emplacement de la mutation est la clé. La nature asymétrique de ce commutateur dans BD23-Fab entraîne une modification de la corrélation entre tous les résidus d’anticorps et les résidus RBD mutés.
Dans le BD23-Fab, cependant, quel que soit l’emplacement de la mutation, une grande partie de l’interface de liaison s’est avérée perdre sa centralité, en particulier sur une région du domaine de liaison à l’antigène. Cela se voit avec tous les mutants.
Ici, bien que le signal allostérique soit transmis à longue distance, l’effet dynamique est généralisé. C’est-à-dire que le changement dans la corrélation de certains résidus d’anticorps se produit avec tous les résidus RBD, par rapport uniquement à ceux mutés dans B38.
« Ces caractéristiques contrastées montrent qu’il peut y avoir des différences inhérentes dans la dynamique microscopique de l’anticorps, en fonction de la nature des mutations de l’antigène et de la nature de l’anticorps. Cela peut avoir des répercussions au-delà de l’antigène de pointe spécifique du SRAS-CoV-2 et sur le processus fondamental de reconnaissance antigène-anticorps en général. «
Dissociation
La boucle 470-490 est la clé de la déliaison du complexe anticorps-RBD. En fait, cette boucle est le dernier point de contact entre l’anticorps et le virus, car elle agit comme un point d’ancrage pour empêcher la perte complète d’attachement à l’anticorps.
Cette boucle contient également le résidu E484. C’est le dernier résidu RBD à se dissocier avec l’anticorps car il perd sa liaison hydrogène. Lorsque la mutation K/Q484 est présente, le résidu E484 est remplacé par le S477 et parfois A475, dans la même boucle.
Dans B38-Fab, les mutations E484 et E484K/Q (Glu vers Lys ou Gln) présentent une énergie d’interaction similaire, car aucune de ces mutations n’est en contact direct avec l’interface de l’anticorps. Par conséquent, toutes les mutations jouent un rôle similaire dans la dissociation des anticorps.
Notamment, les fonctions remplies par ces mutations sont moins efficaces que le RBD de type sauvage pour détacher le virus de l’anticorps. Cette activité réduite est en partie due à la mutation N501Y, qui a moins de liaisons hydrogène que les autres mutations. Le N501Y est donc une mutation déstabilisante pour RBD-B38.
L’inverse se produit avec BD23-Fab, où E484 est à l’interface de liaison. Ainsi, il est essentiel de stabiliser le complexe via une liaison hydrogène. Les mutations K/Q réduisent ici sa capacité à former des liaisons hydrogène de manière abrupte, entraînant ainsi une forte réduction du travail requis pour le détachement des anticorps.
Conclusion
« De futures études dans cette direction peuvent conduire à une compréhension plus approfondie du mécanisme d’évasion immunitaire des virus mutants et peuvent aider à concevoir des stratégies thérapeutiques adaptatives contre de nouvelles souches virales par immunisation au moyen d’anticorps monoclonaux et de vaccination.. «
*Avis important
bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, orienter la pratique clinique/le comportement lié à la santé, ou traités comme des informations établies.
