Un article de recherche préimprimé intéressant décrit les changements structurels résultant des multiples mutations trouvées dans la récente variante Omicron du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2). Le SRAS-CoV-2 est l’agent causal de la pandémie de la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19). En outre, la recherche décrit les effets conséquents de ces changements sur l’infectivité et les capacités d’évasion immunitaire d’Omicron.
Étude : Base structurelle de l’évasion immunitaire et de l’engagement des récepteurs SARS-CoV-2 Omicron. Crédit d’image: NIAID
Sommaire
Fond
La pandémie de COVID-19 a causé des millions de morts et des centaines de millions d’infections. Les tentatives d’arrêter la propagation du virus par les blocages nationaux et régionaux ont causé de graves tensions financières et des difficultés économiques, affectant presque tous les domaines de la vie quotidienne. Malgré le déploiement de vaccins et le développement d’anticorps monoclonaux contre le virus, l’émergence de nouvelles variantes présentant des caractéristiques d’échappement immunitaire présente un formidable défi pour l’objectif de libérer le monde de ce fléau.
La variante Omicron préoccupante (VOC) du SRAS-CoV-2 possède non seulement le nombre le plus important de mutations observées jusqu’à présent parmi toutes les variantes, mais se propage à une vitesse sans précédent et échappe à l’immunité humorale beaucoup plus efficacement que toute autre variante jusqu’à présent. On pense que cela est dû à un grand nombre de mutations de pointe avec ce COV.
Le document actuel, disponible sur le bioRxiv* serveur de préimpression, décrit les résultats de l’examen de la structure mutée des antigènes Omicron à l’aide d’une combinaison de techniques, notamment la cryomicroscopie électronique et la cristallographie aux rayons X. En outre, des études de résonance plasmonique de surface (SPR) ont été utilisées pour évaluer l’affinité de liaison des anticorps monoclonaux thérapeutiques (mAb) actuellement utilisés pour Omicron RBD. Cela a révélé la raison de l’infectiosité accrue de la variante Omicron, en présence de décalages électrostatiques dans les interactions entre la pointe et le récepteur de l’enzyme de conversion de l’angiotensine 2 (ACE2) de l’hôte.
L’étude montre également comment la liaison pointe-récepteur, impliquant l’engagement du domaine de liaison au récepteur (RBD) de la pointe virale au récepteur hôte, ainsi qu’aux mAb, est altérée par le changement de structure dû aux nombreuses pointes mutations. Cela a été fait en examinant les complexes formés par le virus RBD se liant au sarbecovirus largement neutralisant S309 (le mAb parent du sotrovimab).
La protéine de pointe Omicron VOC présente 37 mutations par rapport au virus de type sauvage, contre 19 dans les VOC Alpha et Delta, les variantes antérieures qui ont balayé le monde de la même manière. Il existe 15 et 11 mutations dans le domaine Omicron RBD et N-terminal (NTD), respectivement, liées à une altération marquée de la neutralisation par les anticorps induits par une infection naturelle ou une vaccination antérieure lors d’une réexposition au virus.
Les mutations RBD à 15 pointes d’Omicron n’affectent pas la liaison de l’ACE2 chez l’homme, mais confèrent une capacité de reconnaissance de l’ACE2 à la souris. Ce changement antigénique, comme on l’appelle, a également fait perdre l’activité neutralisante de la plupart des mAb actuellement disponibles contre Omicron, à l’exception notable de S309 et du cocktail de COV2-2196/COV2-2130 (parent cilgavimab/tixagevimab). Alors que le premier a perdu son activité de 2 à 3 fois, le dernier a montré une activité de 12 à 200 fois inférieure contre le pseudovirus ou le virus authentique dans les tests de neutralisation.
Pour mieux comprendre cette menace pour le contrôle de la pandémie, les chercheurs ont examiné le trimère d’ectodomaine de pointe Omicron stabilisé par préfusion en complexe avec S309 et S2L20, qui lie respectivement le RBD et le NTD. Les fragments de liaison aux anticorps (Fab) en complexe avec le RBD et l’ACE2 ont été spécifiquement soumis à une cryo-EM et à une cristallographie aux rayons X, respectivement.
Qu’a montré l’étude ?
Le COV Omicron a de nombreuses mutations trouvées dans des variantes antérieures, à la fois dans le RBD et le NTD. La présence de 8 mutations supplémentaires en dehors du site de clivage RBD, NTD et furine de la protéine de pointe fait de l’Omicron un sujet d’étude beaucoup plus complexe que les COV antérieurs. Quatre de ces huit mutations entraînent de nouvelles interactions électrostatiques entre les hélices centrales de la sous-unité S2 de la pointe et la sous-unité S1.
La structure CryoEM du SARS-CoV-2 Omicron S révèle un remodelage du supersite antigénique NTD. (A) Rendu de surface dans deux orientations orthogonales du trimère Omicron S avec un RBD ouvert lié aux Fabs S309 (gris) et S2L20 (vert) représentés sous forme de rubans. (B) Diagrammes de ruban dans deux orientations orthogonales du trimère S avec un RBD ouvert avec des résidus mutés par rapport à Wuhan-Hu-1 représentés par des sphères rouges (sauf D614G qui n’est pas représenté). Dans les panneaux AB, les trois protomères S sont colorés en bleu clair, rose ou or. (C) Omicron NTD lié à S2L20 avec des résidus mutés, supprimés ou insérés rendus ou indiqués comme des sphères rouges. Les segments présentant des changements structurels notables sont affichés en orange et étiquetés. (D) Vue agrandie du supersite antigénique Omicron NTD mettant en évidence l’incompatibilité avec la reconnaissance par le mAb S2X333 (15) (utilisé ici comme exemple de mAb neutralisant les NTD prototypiques). Les glycanes N-liés sont représentés par des surfaces bleu foncé.
Une autre mutation, L981F, améliore le tassement hydrophobe des résidus. Ces mutations se produisent dans des régions adjacentes aux mutations 2P stabilisant la préfusion utilisées dans les trois vaccins actuellement approuvés disponibles aux États-Unis.
Les mutations Omicron peuvent produire plus d’interactions entre les deux sous-unités de pointe et un changement dans la façon dont le site de clivage S1/S1 est traité en présence des mutations N679K et P681H. Cela pourrait expliquer l’augmentation de la fonction effectrice des anticorps induits par une infection naturelle ou une vaccination, ou des mAb avec une fonction effectrice médiée par Fc, en réduisant l’excrétion de la sous-unité S1 qui précède l’entrée virale dans la cellule hôte.
Mutations de la machinerie de fusion SARS-CoV-2 Omicron S. Une coupe transversale à travers le noyau de la glycoprotéine de pointe est montrée (l’emplacement de cette tranche sur la glycoprotéine de pointe est indiqué sur la gauche). Les mutations T547K, H655Y, N764K, N856K, Q954H, N969K et L981F sont représentées par des sphères rouges ; les résidus avec lesquels ces mutations interagissent sont représentés par des sphères colorées selon le protomère auquel elles appartiennent. Les astérisques noirs indiquent la position des résidus impliqués dans les mutations 2P stabilisant la préfusion (K986P et V987P) utilisées dans les trois vaccins déployés aux États-Unis.
Le RBD est l’antigène immunodominant, avec plusieurs sites antigéniques distincts vers lesquels les anticorps neutralisants sont dirigés avec diverses puissances et étendues de neutralisation. Les scientifiques ont découvert que les interactions électrostatiques étaient perdues en présence de mutations telles que K417N, E484A et Q493R, avec l’introduction d’un encombrement stérique avec REGN10933.
À l’inverse, G446S a provoqué un conflit stérique avec REGN10987, inhibant complètement la liaison d’Omicron RBD à ce mAb. Plusieurs de ces affrontements ont été observés pour atténuer la neutralisation médiée par les anticorps de l’Omicron RBD par COV2-2196 et COV2-2130, par rapport au virus de type sauvage.
Les mutations du SARS-CoV-2 Omicron RBD favorisent l’évasion d’un panel d’AcM cliniques. A, Diagramme en ruban du RBD avec un résidu muté par rapport au RBD Wuhan-Hu-1 représenté par des sphères rouges. Le glycane N343 est rendu sous forme de sphères bleues. BI, vue agrandie du RBD Omicron superposé aux structures du RBD lié à REGN10933 (B), REGN10987 (C), COV2-2196 (D), COV2-2130 (E), LY-CoV555 (F), LY -CoV16 (G), CT-P59 (H) ou S309 (I). La liaison du RBD Wuhan-Hu-1 (ligne grise) ou Omicron (ligne rouge) au mAb correspondant a été évaluée à l’aide de la résonance plasmonique de surface (cinétique à cycle unique) et est indiquée en bas. La ligne noire correspond à un modèle cinétique. La diminution de l’affinité entre la liaison Wuhan-Hu-1 et Omicron est indiquée en rouge.
Avec LY-CoV555, la mutation E484A a inhibé la liaison hydrogène entre le RBD et les chaînes lourdes et légères du mAb, tandis que Q493R empêche à nouveau la liaison via des affrontements stériques. La chaîne lourde de LY-CoV16 ne peut pas se lier à l’Omicron RBD en raison de la perte de multiples interactions électrostatiques entre ces molécules avec l’introduction de K417N.
Le triplet de mutations K417N E484A et Q493R abolit également la liaison avec l’Acm CT-P59 par encombrement stérique et perte de contacts électrostatiques. Fait intéressant, les résultats obtenus à l’aide de ces techniques concordent avec ceux de l’analyse mutationnelle profonde qui a prédit les effets des mutations à chacun des résidus du RBD.
Pourquoi le S309 conserve-t-il son activité ? Les mutations Omicron G339D et N440K se produisent très près ou dans l’épitope S309 sur le site antigénique IV, mais les deux introduisent des chaînes latérales qui provoquent une perturbation modérée de la liaison avec le mAb, avec une chute correspondante de 2 à 3 fois du pouvoir neutralisant des COV.
La mutation N501Y trouvée dans les COV alpha et bêta n’a pas provoqué de liaison efficace du récepteur ACE2 de la souris, mais cet effet se retrouve dans la variante Omicron. Cela pourrait être dû à la présence de la mutation Q493R qui a des interactions électrostatiques avec l’ACE2 de la souris et qui se fixe dans les passages en série des souris. Le résultat est un virus SARS-CoV-2 MA10 adapté à la souris.
Quelles sont les implications ?
« Ce travail définit la base moléculaire de la large évasion de l’immunité humorale présentée par le SARS-CoV-2 Omicron et souligne la plasticité mutationnelle du SARS-CoV-2 S et l’importance de cibler les épitopes conservés pour le vaccin et la thérapeutique et la conception. «
La perte d’activité neutralisante avec les mAb cliniques et les cocktails mAb lorsqu’ils sont confrontés à l’Omicron RBD, à l’exception du S309, est un défi important pour l’atténuation et le traitement du COVID-19. Environ un isolat d’Omicron sur dix a la substitution R346K qui est liée à l’évasion du mAb C135, en combinaison avec la mutation N440K présente dans tous les isolats. Cependant, R346K n’altère pas la liaison S309.
S309 a été obtenu à partir d’un patient récupéré du SRAS-CoV (infecté en 2003), mais C135 d’un patient récupéré du SRAS-CoV-2. Le premier a donc présenté une excellente opportunité de trouver des anticorps anti-sarbécovirus largement neutralisants qui ciblent des épitopes hautement conservés dans cette famille.
Les contraintes mutationnelles sur de tels sites empêchent l’urgence immédiate de variantes échappant au système immunitaire. Pendant ce temps, l’identification de ces anticorps offre un espoir pour le développement de vaccins largement neutralisants contre le sarbécovirus.
« Ces efforts offrent l’espoir que les mêmes stratégies qui contribuent à résoudre la pandémie actuelle nous prépareront à de futures pandémies putatives de sarbécovirus.. «
*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.
