SARS-CoV-2 Omicron 变体：刺突蛋白-ACE2 复合物的抗体逃避和冷冻电镜结构.docx

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1、SARS-CoV-2 Omicron变体：刺突蛋白ACE2复合物的抗体逃避和冷冻电镜结构抽象的新报道的Omicron变体有望取代Delta,成为全球最流行的SARS-CoV-2变体。与人ACE2复合的Omicron变异刺突蛋白的冷冻电镜结构分析揭示了由RBD中的突变残基R493、S496和R498与ACE2形成的新盐桥和氢键。这些相互作用似乎可以补偿其他Omicron突变，例如已知会降低ACE2结合亲和力的K417N,从而导致Delta和Omicron变体具有相似的生化ACE2结合亲和力。中和化验表明显示Omicron刺突蛋白的假病毒表现出增加的抗体逃避。抗体逃避的增加，以及在ACE2界面处保

2、留强相互作用，SARS-CoV-2的Omicron （B. 1. 1. 529）变体于2021年11月首次报道，很快被确定为一种可能在世界范围内迅速传播的令人担忧的变体。这种担忧加剧了，因为Omicron变体目前甚至在双重接种疫苗的个体中传播。SARS-CoV-2依靠三聚体刺突蛋白通过识别血管紧张素转换酶2 （ACE2）受体进入宿主细胞。Omicron变体刺突蛋白有37个突变，而Gamma变体中有12个突变，这是在Omicron之前出现的突变最多的变体（）。了解这些突变对ACE2受体结合和中和抗体逃避的后果对于指导开发有效的治疗方法以限制Omicron和相关变体的传播非常重要。刺突蛋白包含2个

3、结构域，即包含受体结合结构域（RBD）的S1结构域和负责膜融合的S2结构域。相对于最初的武汉-Hu-1菌株，Omicron变体在刺突蛋白中有37个突变（图 中），其中15个存在于受体结合域（RBD）（1 ）o RBD通过ACE2受体介导与人体细胞的附着，是中和抗体的主要靶标（Z , J）。在Omicron出现之前，Delta变体是主要的SARS-CoV-2谱系，与武汉-Hu-1毒株相比，刺突蛋白有7个突变，其中2个突变属于其RBDo在Delta尖峰突变中，两个（RBD中的T478K和SI C末端的D614G）与Omicron菌株共享。对Omicron基因组序列的分析表明，它并非源自任何当前流行

4、的变体，并且可能具有不同的起源（）。Omlcron Spike proWin RBO图lo Omicron刺突蛋白的冷冻电镜结构。（A）说明刺突蛋白结构域排列的示意图。Omicron变异刺突蛋白中存在的突变被标记0 （ B ） Omicron刺突蛋白的冷冻电镜图，分辨率为2.79 Ao原体以不同深浅的紫色着色。（C） Omicron刺突蛋白的冷冻电镜结构表明了一个原体上模拟突变的位置。（D） Omicron刺突受体结合域（RBD）以两个正交方向显示，突变残基的Ca位置显示为红色球体。Omicron刺突蛋白胞外域的冷冻电镜结构分析表明，三聚体的整体组织与祖先菌株（5-7）和所有早期变体（8-10

5、）观察到及相似X图m和表S1 .其中一个原聚体（原聚体1）中的RBD分辨率良好，处于“向下”位置，而其他两个RBD的分辨率较差，因为它们相对于刺突蛋白多肽的其余部分具有灵活性。类似地，氨基末端结构域（NTD）的解析很差，反映了该结构域的动态和灵活特性。Omicron变异刺突蛋白的突变分布在刺突蛋白的表面和内部（图1C）,包括NTD和RBD区域。RBD中的突变主要分布在结构域的一个面上（凰卫）,该区域跨越结合ACE2的区域以及形成众多中和抗体表位的区域（22）。Omicron变体与之前关注的变体（K417N、T478K和N501Y）有共同的RBD突变。N501Y和K417N突变分别赋予ACE2结

6、合亲和力增加和减少（f , 12 - 16 当单独存在或与其他RBD突变结合时，这些突变效应如ACE2亲和力保持相同的一般影响（”）。然而，Omicron RBD包含额外的突变，在高通量分析（表S2） （2Z）中，除了 G339D、N440K、S447N和Q498R （17、18 ）外,大多数突变已被证明会降低受体结合）。为了测量Omicron刺突蛋白突变对人ACE2结合亲和力的影响，我们进行了表面等离子共振研究，并将所得的表观结合亲和力（KD ）与野生型和Delta刺突进行了比较（图2）o在这项工作中，野生型（WT）用于指代添加了 D614G突变的祖先武汉-Hu-1菌株。虽然相对于野生型刺突

7、蛋白，Omicron刺突蛋白对ACE2的表观亲和力显着增加与最近的预印本（19 ） 一致，但Delta和Omicron变体的表观ACE2亲和力相似（图2D）。尽管有儿个RBD突变会降低ACE2的结合（图S2） 12 ,16, ），对Omicron刺突蛋白的总体ACE2结合亲和力的保留表明存在补偿性突变，可以恢复对ACE2的更高亲和力。这种突变效应应该可以在刺突蛋白-ACE2复合物的高分辨率结构中可视化。图2o SPR分析野生型、Delta和Omicron刺突蛋白对人ACE2的亲和力。（A到C） S蛋白-ACE2结合的单循环动力学分析的代表性痕迹。原始数据（黑色）与使用1:1结合化学计量的模型拟

8、合（红色），从中得出明显的解离常数。通过在连续循环中注射6.25、31.25、62.5、125、250 nM的每种刺突蛋白获得曲线。（RU：响应单位）。（D）表观解离常数的定量（Kmp）用于野生型、Della和Omicron S蛋白ACE2相互作用。显示了从至少三个技术重复中获得的标准偏差。对于仅携带K417N （顶部）或N501Y + E484K （底部）突变的突变体，绘制水平虚线以证明该测定的范围（结合数据参见图S2） o对野生型、Delta和Omicron结合亲和力进行了 Tukey的多重比较测试（*P Gamma或Delta变体感染中恢复的未接种疫苗的恢复期患者（患者人口统计数据摘要见

9、表S3） o我们使用包含野生型、Delta或Omicron变体S蛋白的假病毒进行了中和实验，并比较了这些假病毒体逃避抗体的能力。我们比较了相对于Delta变体的逃避，因为Omicron变体正在全球流行中迅速取代Delta变体，21 ）。我们使用了一组中和单克隆抗体，包括RBD定向抗体abl、ab8、S309、S2M11；（招- 空）和两种NTD导向抗体4-8和4A8; （ 26 , 27 ）研究Omicron RBD和NTD突变对单克隆抗体逃逸的影响。与 SARS-CoV-2 的野生型 Alpha （B. 1. 1.7） Gamma （P. 1） Kappa（B. 1.617. 1）和Delt

10、a （B. 1.617.2）变体相比，在测试的六种抗体中的五种的最大浓度下，Omicron变体无法完全中和（图4A和图S4） （20、28）。两种针对Omicron的NTD导向抗体（4-8和4A8）的中和活性丧失可能是由于 144-145缺失，该缺失落在这两种抗体的足迹内（图4B） o RBD定向抗体S2M11 ab8和abl的逃逸可能是由于存在于它们各自足迹内的众多Omicron突变（图4B） o相比之下，S309 （一种在治疗C0V1D-19患者的临床试验中接受评估的抗体）能够完全中和Omicron变体，这与之前的报告一致，显示S309的中和能力保持不变，尽管效力略有下降（，2 -2）。因此，与之前出现的SARS-CoV-2变体相比，Omicron变异刺突蛋白中异常高的突变数量似乎赋予了广泛的抗体逃逸，这与新出现的报道一致（空）。150-S2M11ab8ab1WTS2M11804-8All Convalescent6.3x4-84A8S309Omicron4A8WI