SARS-CoV-2 Omicron 免疫逃避和受体参与的结构基础.docx

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1、SARS-CoV-2 Omicron免疫逃避和受体参与的结构基础抽象的受关注的SARS-CoV-2 Omicron变体逃避了抗体介导的免疫，这种免疫来自疫苗接种或早期变体感染，因为大量尖峰突变的积累。为了了解Omicron抗原转变，我们确定了刺突蛋白的低温电子显微镜和X射线晶体结构，以及与广泛中和sarbecovirus单克隆抗体（mAb） S309 （sotrovimab的亲本mAb）结合的受体结合结构域和人ACE2受体。我们提供了一个蓝图，以了解其他治疗性mAb的结合显着减少，从而导致中和活性减弱。Omicron受体结合域和人类ACE2之间相互作用的重塑可能解释了宿主受体相对于祖先病毒的亲

2、和力增强。尽管连续的C0VTD-19浪潮席卷了世界，但没有变体累积突变并介导免疫逃避，达到对SARS-CoV-2 Omicron （B. 1. 1.529）关注变体（VOC）观察到的程度。该变体于2021年11月下旬在南非首次发现，并很快被世界卫生组织指定为VOC （ 1 ）o与之前的SARS-CoV-2变体相比，Omicron已在全球范围内快速传播（2 , 3 ）o促进病毒进入细胞的Omicron刺突（S）糖蛋白（，5）在相对手武汉-HuT S （ 4 ）的主要单倍型中含有37个残基突叁）,而 SARS-CoV-2 Alpha 和 Delta VOC （, 6 ）中大约有 10 个替换。Om

3、icron受体结合结构域（RBD）和N末端结构诫（NTD）分别包含15和11个突变，这会导致先前感染或接种过疫苗的个体的血浆中和活性严重减弱（？ - 1 ）。尽管Omicron RBD含有15个残基突变，但它以高亲和力与人ACE2进入受体结合，同时获得了有效识别小鼠ACE2的能力（/）。由于这种抗原转变，唯一授权或批准的对Omicron具有中和活性的治疗桎单克隆抗体（mAb）是 S309 （sotrovimab 亲本）和 C0V2-2196/C0V2-2130 鸡尾酒（ci 1 gavimab/1ixagevimab亲本）。即使是这些mAb的效力也分别降低了 2-3倍和12-200倍，使用假病

4、毒或真实病毒检测（？ - 1 ）。这种逃避体液反应的程度对当前和未来大流行的治疗和预防具看重要影响，强调了定义这些变化的分子机制的必要性。为了为观察到的Omicron免疫逃避和改变的受体识别提供结构框架，我们确定了与S309和S2L20 （NTD特异性mAb） Fab片段结合的预融合稳定的SARS-CoV-2 Omicron S胞外域三聚体的cryoEM结构（图1）。图1、图S1和表S1）以及与人ACE2复合的Omicron RBD的X射线晶体结构以及分辨率为2.85 A的S309和S304的Fab片段（表S2）。S309识别抗原位点IV（），而S304与位点11c （ 名 ）结合并用于辅助结

5、晶。此外，我们使用表面等离子体共振（SPR）评估了临床mAb与Omicron RBD和Sectodomain三聚体的结合。5309图10 SARS-CoV-2 Omicron S三聚体的CryoEM 结构揭示了 NTD 抗原超位点的重塑。（）Omicron S三聚体的两个正交方向的表面渲染,其中一个开放的RBD与S309 （灰色）和S2L20 （绿色）Fabs结合，显示为带状。三个S原体颜色为浅蓝色、粉红色或金色。N-连接聚糖显示为深蓝色表面。（B）S三聚体的两个正交方向的带状图，其中一个开放的RBD具有相对于武汉-Hu-1发生突变的Omicron残基，显示为红色球体（D614G除外，未显示）

6、。（C ） S2L20结合的Omicron NTD,带有突变、删除或插入的残基，呈现或指示为红色球体。具有显着结构变化的部分以橙色显示并标记。（I）与S2X333 Fab重叠的Omicron NTD抗原超位点的放大视图（此处用作原型NTD中和mAb （ 22 ）的示例）突出了结合不相容性;S2X333 W106和NTDG142D之间的建模冲突用星号表示。在查看器中打开cryoEM数据的3D分类显示存在两种构象状态，其中一个（45%的选定粒子）或两个（5596的选定粒子）处于开放构象的RBD,我们分别确定了 3.1 A和3.2 A分辨率的结构（图1, A和B,图S1和S2,以及表SI） o相对于

7、载脂蛋白（4 , 5 ）和S309结合（4）武汉-HuT胞外域三聚体结构，较大比例的笄放RBD可能是由Omicron突变、融合前稳定突变（，用或S2L20绑定 S309结合RBD （域B）和S2L20结合NTD（域A）的重点分类和局部细化用于解释它们的构象动力学，并将这些区域的局部分辨率分别提高到3.0和3.3 A分辨率。虽然大多数VOC在NTD、RBD和弗林蛋白酶切割位点区域之外只有少数突变，但Omicron尖峰在这些区域之外有8个替换：T547K、H655Y、N764K、D796Y、N856K、Q95仙、N969K和L981F,这可能都在地图中建模（图1, A和B,和图2） o其中三个突变

8、在S ?和S 亚基之间引入原体间静电接触：N764K结合Q314 （在结构域D） , S982结合T547K （在具有闭合RBD的原体的结构域0） , N856K结合D568和T572 （在结构域C,前一个残基在RBD封闭的原体中更接近N856K）（图2 ） （ 76, , 77） o此外，N969K与Q755形成质子间静电接触，L981F改善了融合前构象中的质子内疏水堆积（图2） o后一种突变接近于在美国部署的所有三种疫苗中使用的融合前稳定2P突友（K986P 和 V987P）（图 2） 。 设定用强（Onicron S中S 1和S 2亚基之间的相互作用以及融合前的稳定性，以及由于N679K

9、和P681H突变而改变的S . /S 2切割位点的加减少一脱落，与最近的一致研究（/- 四）。阻尼S 亚基脱落可能会增强疫苗或感染引发的Abs的效应功能活性以及对Omicron S保持亲和力的治疗性mAb （ 21九N969KQ314N969QT572 dN856K舁 YQ3T4/2一 N764KL981F S982 T547K：547KT547KLS982LL981F490Q755N764KQ314 匕L981F/1.S982N856KT572N969KQ757N764K皂 Q755图 2o NTD 和 RBD 之外的 SARS-CoV-2 Omicron S 突变。显示Omicron S糖

10、蛋白横截面的带状图（该切片在S三聚体上的位置显示在左侧）。突变残基T547K、N764K、N856K、N969K和L981F显示为红色球体，而它们接触的残基显示为与它们所属的原体着色的球体黑色星号显示在美国部署的所有三种疫苗中使用的融合前稳定2P突变（K986p和V987P）中涉及的残基位置。三个S原体颜色为浅蓝色、粉红色或金色。N-连接聚糖显示为深蓝色表面。I在查看器中打开Omicron NTD携带大量突变、缺失（del）和插入（ins）,包括A67V、del69-70、T95T G142D del 143T45、del211 L212T 和 ins214EPE （图 IC ）和图。S3）o

11、许多这些突变已在先前出现的VOC中进行了描述：在Alpha中发现了 del69-70,在 Kappa 和 Iota 中发现了 T95I,在 Kappa 和 Delta 中发现了 G142DO T95I、del21K L212I 和 ins214EPE 位于 NTD 抗原超位点之外，但位于P008_056 mAb靶向的表位附近，这表明这些突变可以推定调节对相似mAb的识别最具有其他功能相关性。尽管包含dell43-145的区域在图谱中被弱分辨，但由于引入的序列寄存器移位，预计会改变抗体识别，而G142D与几种有效的NTD中和mAb的结合不相容，例如S2X333,由于空间位阻（”以）（2 , 22

12、） o 此外，dell43-145 让人想起 Alpha dell44,它在 mAbS2X333存五下也被分离为逃逸突变，并导致仓鼠攻击模型中的病毒突破（ 次）。这些数据表明G142D和dell43-145解释了观察到的SARS-CoV-2Omicron逃避由一组NTD mAb介导的中和作用（/ ,9 ） oRBD是恢复期和接种疫苗个体血浆中和活性的主耍晅点,仓包含几个被中和Abs识别的抗原位点、,具有一系列中和效力初厂渡（12、13、21、23-36）（图纱 j我们的结构提供了在该变体中发现的残基取代的高分辨率蓝图（图3B）及其对临床mAb结合的影响（运1）o先前已报道在Omicron RB

13、D中发生的几个单独突变或突变子集会影响中和抗体的结合或中和作用（切o K417N、G446S、S477N、T478K、E484A、Q493R、G496S、Q498R、N501Y 和 Y505H 突变是抗原位点I的一部分，在以前的变体中是免疫显性的（，24 ）oK417N、E484A、S477N和Q493R会导致静电相互作用的丧失和与REGN10933的空间冲突，而G446S会导致与REGN10987的空间冲突，这与抑制与Omicron RBD和S三聚体的结合一致（图3, C和D、图S3和表S3）以及先前对单个突变对这两种mAb中和的影响的分析（9、38-40）。此外，据报道N440K 严重抑制

14、 REGN10987 中和（，）。相对于武汉-Hu-1 RBD, Omicron RBD与C0V2-2196和C0V2-2130的结合减少可能是T478K （基于Delta S（N ）、Q493R和推定的S477N用于C0V2-2196的结果，如以及用于C0V2-2130的G446S和E484A （图3、E和F、图S4和表S3）。将这些数据与中和分析相结合表明，虽然每个点突变仅使C0V2-2196或C0V2-2130介导的中和作用小幅降低（9 ）,但Omicron突变群导致更明显的活性丧失（ 0 ）.E484A消除了与LY-CoV555重链和轻链的静电相互作用，而Q493R将通过空间位阻阻止结

15、合（图3G ）,如图。S4和表S3）,由中和数据（g ）支持。预计K417N会对Omicron RBD和LY-CoV16重链之间形成的静电相互作用群产生负面影响，从而消除单突变S假病毒的结合（图3H、图S4和表S3）和中和（9、40 ）, 至）。此外，S477N和Q493R已被证明可以抑制LY-CoV16的结合和中和作用（ , 1 ）。最后，K417N、E484A和Q493R通过空间位阻和静电接触晶塑的组合阻碍CT-P59的接合，从而阻止结合（图31 ）,如图。S4,以及表S1和S3）osite Vsite Ila8080LY-CoV16CT-P59S309100-60-60-20-50010001500Time (s)001sosa)osuodsoHNo Binding050010001500Time (s)50-(3.60.8)Xiii50010001500Time (s)050010001500Time (s)