Une récente étude de tour de force menée par des chercheurs américains décrit une approche globale pour cartographier complètement les mutations du domaine de liaison au récepteur du SRAS-CoV-2 (RBD) qui échappent à la liaison aux anticorps – permettant, à son tour, la conception rationnelle de thérapies par anticorps et évaluation des conséquences antigéniques de l’évolution virale. Les résultats sont actuellement disponibles dans un bioRxiv * papier de pré-impression.
La pandémie de maladie à coronavirus (COVID-19), causée par le syndrome respiratoire aigu sévère coronavirus 2 (SRAS-CoV-2), a suscité un intérêt urgent et accru pour les options de traitement par anticorps et en particulier les vaccins qui induisent des anticorps efficaces contre le virus.
Un large éventail d’anticorps neutralisants puissants anti-SARS-CoV-2 ciblent la RBD de la glycoprotéine de pointe virale, en concurrence fréquemment avec sa liaison à l’enzyme de conversion de l’angiotensine 2 (récepteur ACE2). En outre, les anticorps anti-RBD régissent souvent l’activité neutralisante de la réponse d’anticorps polyclonaux après une infection naturelle.
Les anticorps neutralisants anti-RBD administrés passivement et induits par le vaccin protègent contre le SRAS-CoV-2 dans des modèles animaux; néanmoins, des preuves préliminaires suggèrent que la présence d’anticorps neutralisants peut également être liée à une protection chez l’homme.
Un système d’affichage de levure pour cartographier complètement les mutations d’échappement des anticorps anti-SARS-CoV-2 RBD. (A) Affichage de la levure RBD sur leur surface. Le RBD contient une étiquette c-myc, permettant un marquage à double fluorescence pour quantifier à la fois l’expression de la RBD et la liaison aux anticorps de la RBD par cytométrie en flux. (B) Expression de RBD par cellule et liaison d’anticorps telles que mesurées par cytométrie en flux pour la levure exprimant RBD non muté et l’une des bibliothèques de mutants RBD. (C) Flux de travail expérimental. Les bibliothèques de mutants RBD exprimant la levure sont triées pour purger les mutations RBD qui abolissent la liaison ACE2 ou le repliement RBD. Ces bibliothèques de mutants sont ensuite marquées avec un anticorps, et les cellules exprimant des mutants RBD avec une liaison d’anticorps diminuée sont enrichies en utilisant FACS (le bac «anticorps-échappement»; voir la figure S1 pour les détails de déclenchement). Les populations initiale et d’échappement d’anticorps sont séquencées en profondeur pour identifier les mutations enrichies dans la population d’échappement d’anticorps. Les comptages de séquençage profond sont utilisés pour calculer la «fraction d’échappement» pour chaque mutation, qui représente la fraction de cellules de levure avec une mutation RBD donnée qui tombe dans la corbeille de tri d’échappement d’anticorps. Les fractions d’échappement sont représentées dans des graphiques de logo, avec de grandes lettres indiquant des mutations qui échappent fortement à la liaison d’anticorps.
Sommaire
La montée en puissance des mutants viraux
Par conséquent, déterminer quelles mutations virales échappent aux anticorps devient essentiel pour concevoir des options de traitement et des vaccins, mais aussi pour évaluer les implications antigéniques de l’évolution virale. Des études antérieures ont montré que de telles mutations pourraient devenir dominantes sur une période évolutive plus longue.
Pourtant, les méthodes actuellement disponibles pour identifier les mutations d’échappement du SRAS-CoV-2 en passant l’agent viral en présence d’anticorps sont déficientes, principalement dans le sens où elles ne trouvent qu’une ou une poignée de mutations d’échappement possibles.
Un groupe de recherche, dirigé par le Dr Allison J.Greaney du Fred Hutchinson Cancer Research Center et de l’Université de Washington à Seattle, a surmonté ces limitations en introduisant une approche à haut débit pour cartographier complètement les mutations qui échappent à la liaison d’anticorps dans le SRAS-CoV -2 RBD et appliqué cette approche à 10 anticorps humains.
Cartographie des mutations d’échappement des anticorps anti-SARS-CoV-2
Plus spécifiquement, pour cartographier les mutations d’échappement d’anticorps de cette manière, ces scientifiques ont exploité un système pour exprimer la RBD conformationnellement intacte à l’extérieur des cellules de levure. En outre, ils ont mis au point des bibliothèques de mutants dupliqués de RBD de la souche Wuhan-Hu-1 SARS-CoV-2 pour identifier les mutations qui permettent la grande évasion des anticorps.
Ensuite, ils ont appliqué cette cartographie de mutation d’échappement à 10 anticorps monoclonaux humains: 9 anticorps neutralisants qui ont été isolés de patients convalescents COVID-19, et une forme recombinante d’un anticorps non neutralisant réactif croisé qui a été isolé d’un patient convalescent avec le infection d’origine par le SRAS (c’est-à-dire SRAS-CoV-1).
Dans un effort pour améliorer la comparaison des cartes d’échappement à travers les anticorps, une mise à l’échelle multidimensionnelle a été utilisée pour résumer les similitudes des mutations d’échappement dans un graphique à deux dimensions. Expérimentalement, les mutations d’échappement clés dans les essais de neutralisation ont été testées avec l’utilisation de particules lentivirales pseudotypées à pointe pour valider les cartes d’échappement.
Enfin, les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à coloration négative pour examiner dans quelle mesure les cartes d’échappement pourraient être rationalisées en ce qui concerne les structures tridimensionnelles des complexes anticorps-RBD.
Cartographie structurelle de la liaison et de la fuite des anticorps. (A-D) Pour chaque anticorps, la structure montre la surface RBD (PDB 6M0J) colorée par la plus grande mutation d’échappement à effet sur chaque site, le blanc indiquant aucune fuite et le rouge indiquant la mutation d’échappement la plus forte pour cet anticorps. Les anticorps sont disposés de telle sorte que ceux avec des épitopes structurels similaires soient dans le même panneau, à savoir si leurs épitopes sont dans (A) le noyau du RBD, (B) la crête de liaison ACE2, (C) le bord opposé du RBM , ou (D) la selle de la surface RBM. (E) Structure cristalline de la RBD liée à rCR3022 (PDB 6W41), avec Fab en violet et RBD coloré selon les sites de fuite comme dans (A). (F) Pour 5 anticorps monoclonaux, Fab lié au trimère d’ectodomaine de pointe de SRAS-CoV-2 a été visualisé par microscopie électronique à coloration négative (EM). Le RBD est modélisé comme une représentation de surface, colorée selon les sites de fuite comme en (A). Les chaînes Fab sont modelées en or. Les noms d’anticorps sont colorés selon la figure 2B: liaison au noyau, orange; Liaison RBM, cyan; Liaison au site de contact ACE2, bleu foncé. Voir https://jbloomlab.github.io/SARS-CoV-2-RBD_MAP_Crowe_antibodies/ pour les versions interactives des structures de couleur d’échappement dans (A-D).
Nuances de liaison à haute affinité
« Les cartes d’échappement résultantes révèlent la mesure dans laquelle différents anticorps sont échappés par des mutations sur des sites chevauchants ou orthogonaux, et montrent que les anticorps ciblant des régions structurellement similaires ont parfois des mutations d’échappement à des résidus entièrement distincts », disent les chercheurs de l’étude dans leur bioRxiv papier.
Dans cette étude, les dix anticorps se sont tous liés à la RBD SARS-CoV-2 avec une forte affinité; cependant, ils différaient dans la portée de la concurrence avec ACE2 pour la liaison RBD, leurs pouvoirs de neutralisation, ainsi que la réactivité croisée avec le SARS-CoV-1.
Ces cartes complètent définitivement jusqu’à présent les approches basées sur la structure dominante qui décrivent l’interface physique entre le virus et un anticorps mais ne mesurent pas directement l’effet des mutations sur la liaison de l’anticorps.
Il existe des nuances remarquables dans lesquelles les mutations échappent aux anticorps individuels capturés par cette entreprise de recherche. De plus, les détails fins des cartes d’échappement révèlent que les effets de mutations spécifiques peuvent varier considérablement – même parmi les anticorps qui ciblent apparemment la même région.
La conception rationnelle des cocktails d’anticorps
« Les cartes d’échappement complètes prédisent quelles mutations sont sélectionnées pendant la croissance virale en présence d’anticorps uniques, et nous permettent de concevoir des cocktails d’anticorps résistants à l’échappement – y compris des cocktails d’anticorps qui entrent en compétition pour la liaison à la même surface de la RBD mais qui ont une évasion différente mutations », résument les auteurs de l’étude.
Contrairement à la sagesse familière, les cocktails d’anticorps ne doivent pas nécessairement cibler différentes régions de la RBD pour résister à la fuite virale. Une simple inspection des cartes d’échappement montre des paires d’anticorps ciblant l’interface de liaison ACE2 de la RBD sans mutations d’échappement communes.
Cela signifie que des cartes complètes de mutation d’échappement ouvrent fondamentalement la porte à la conception rationnelle de la thérapeutique par anticorps, ainsi qu’à l’évaluation des répercussions antigéniques de l’évolution virale. Entre-temps, la mesure dans laquelle les mutations qui affectent considérablement l’antigénicité du SRAS-CoV-2 persisteront au cours de l’évolution virale reste une question ouverte.
