Новости

Aug 07, 2023

Компенсаторный эпистаз поддерживает сродство к ACE2 при SARS

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 13, номер статьи: 7011 (2022) Цитировать эту статью

3170 Доступов

13 цитат

29 Альтметрика

Подробности о метриках

Вариант Omicron BA.1 появился в конце 2021 года и быстро распространился по всему миру. По сравнению с более ранними вариантами SARS-CoV-2, BA.1 имеет множество мутаций, некоторые из которых, как известно, способствуют ускользанию антител. Многие из этих мутаций ускользания антител по отдельности снижают аффинность домена связывания спайковых рецепторов (RBD) к ACE2, но BA.1 по-прежнему связывает ACE2 с высоким сродством. Таким образом, приспособленность и эволюция линии BA.1 обусловлены совместным воздействием многочисленных мутаций. Здесь мы систематически отображаем эпистатические взаимодействия между 15 мутациями в RBD BA.1 относительно штамма Wuhan Hu-1. В частности, мы измеряем аффинность ACE2 всех возможных комбинаций этих 15 мутаций (215 = 32 768 генотипов), охватывающих все возможные эволюционные промежуточные продукты от предкового штамма Wuhan Hu-1 до BA.1. Мы обнаружили, что иммунные ускользающие мутации в BA.1 индивидуально снижают аффинность ACE2, но компенсируются эпистатическими взаимодействиями с другими мутациями, повышающими аффинность, включая Q498R и N501Y. Таким образом, способность BA.1 уклоняться от иммунитета при сохранении сродства к ACE2 зависит от приобретения множественных взаимодействующих мутаций. Наши результаты указывают на то, что компенсаторный эпистаз является ключевым фактором, вызывающим существенные эволюционные изменения SARS-CoV-2, и согласуются с Omicron BA.1, возникающим в результате хронической инфекции.

Вариант SARS-CoV-2 Omicron BA.1 появился в ноябре 2021 года и быстро распространился по всему миру, отчасти благодаря его способности преодолевать существующий иммунитет у вакцинированных и ранее инфицированных лиц1,2. Поразительно, но Омикрон не стал потомком широко распространенной в то время линии Дельты. Вместо этого он появился как сильно дивергентный штамм после накопления десятков мутаций в линии, которая в то время не была широко распространена, включая 15 мутаций в домене, связывающем рецептор шипового белка (RBD)1.

Недавняя работа показала, что ряд из этих 15 мутаций RBD (некоторые из которых встречаются и в других вариантах) нарушают связывание специфических моноклональных антител3,4,5,6,7, потенциально способствуя ускользанию от иммунного ответа. Однако было также показано, что большинство этих мутаций снижают аффинность связывания с человеческим ACE2, когда они возникают в Wuhan Hu-1, Delta или некоторых других линиях SARS-CoV-28,9, что потенциально ухудшает проникновение вируса в клетки-хозяева. Напротив, Omicron RBD толерантен к этим ускользающим мутациям, сохраняя при этом сильное сродство к ACE210,11, что позволяет предположить, что другие мутации в этой линии могут способствовать поддержанию проникновения вируса.

В более ранних работах систематически анализировались мутационные эффекты на связывание антител и аффинность ACE2, например, с помощью глубокого мутационного сканирования (DMS)9,12. Однако эти подходы сосредоточены на влиянии одиночных мутаций на конкретный генетический фон. Поэтому они полезны для понимания первых шагов эволюции существующих вариантов, но не могут объяснить, как множественные мутации взаимодействуют на более длительных эволюционных траекториях. Таким образом, остается неясным, как комбинации мутаций, например те, которые наблюдаются у Омикрона, взаимодействуют, уклоняясь от иммунитета и сохраняя сильное сродство к ACE2. Чтобы ответить на этот вопрос, мы использовали подход комбинаторной сборки для создания плазмидной библиотеки, содержащей все возможные комбинации 15 мутаций в RBD Omicron BA.1 (всего 215 = 32 768 вариантов). Эта библиотека, которая на сегодняшний день представляет собой крупнейшую комбинаторно полную библиотеку вирусного белка, включает в себя все возможные эволюционные промежуточные продукты между Wuhan Hu-1 и Omicron BA.1 RBD. Мы трансформировали эту библиотеку плазмид в стандартный дрожжевой дисплейный штамм, создав дрожжевую библиотеку, в которой каждая клетка отображает один мономерный вариант RBD, соответствующий плазмиде в этой клетке. Затем мы использовали Tite-Seq, высокопроизводительную проточную цитометрию и метод, основанный на секвенировании13,14 (см. «Методы»; дополнительный рисунок 1A), для измерения аффинности связывания, KD,app, всех 32 768 вариантов RBD с человеческим ACE2. в параллели.