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

SARS-CoV-2Omicron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）oRBD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SIC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的变体，并且可能具有不同的起源（）。OmlcronSpikeproWinRBO图loOmicron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2.79Ao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）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，OmicronRBD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2oSPR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、250nM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OmicronS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<0.05,ns=不显着）。显示了突出显示Delta和OmicronS蛋白ACE2相互作用相对于WT的呻倍数变化的表格。器中打开人ACE2-0micron刺突蛋白复合物的冷冻电镜结构分析显示ACE2与“向上”位置的一个原体的RBD结合的密度很高（图3A和表SI）o对于第二个结合的ACE2,观察到较弱的密度，表明在我们的实验条件下，第二个RBD被部分占用。我们专注于结合最强的ACE2分子中ACE2-spike蛋白界面的结构。RBD-ACE2区域的集中细化导致在刺突蛋白-ACE2界面处分辨率为2.66A的密度图（留）,允许界面中涉及的侧链可视化（图3C）o在图3中，D至IF,我们将Omicron变体中此界面处的关键交互与我们最近报道的Delta变体720）的相应交互进行了比较。在Delta变体-ACE2复合物中，刺突蛋白上的残基Q493和Q498分别与ACE2上的残基E35和Q42形成氢键（量3D）o在Omicron变体中，在这一段中观察到三个突变：Q493R、G496S和Q498RO残基R493用新的盐桥取代与ACE2残基E35的氢键，而残基R498与ACE2残基D38形成新的盐桥，同时保持与ACE2残基Q42的氢键相互作用。RBD残基S496通过与ACE2残基K353形成氢键，在界面处增加了新的相互作用（图3D）o此外，如先前在Alpha（B.1.1.7）Beta（B.1.351）和Gamma（P.1）变体中所见，OmicronRBD中的突变残基Y501与ACE2中的Y41产生pi堆叠相互作用（§,丝），而突变残基H505与ACE2中的E37没有氢键合，这与我们之前反道的Y505残基（图3E）（义）相反。Protomer3AK353RBDProtomer2Protomer1Omicronspike protein图3。Omicron刺突蛋白-ACE2复合物的冷冻电镜结构。（）经过全局细化后，Omicron刺突蛋白与人ACE2复合物的冷冻电镜图,分辨率为2.45Ao三种原体以不同深浅的紫色着色，结合的ACE2的密度以蓝色着色。（乙）经过重点细化后，Omicron尖峰RBD与ACE2复合的冷冻电镜图，分辨率为2.66Ao插入框表示（C）中突出显示的区域。（C）Omicron尖峰RBD-ACE2接口处的Cryo-EM密度网格，带有拟合的原子模型。黄色和红色虚线分别代表新的氢键和离子相互作用。（D到F）Omicron（上）和Delta（下）变体之间RBD-ACE2接口的比较。与Delta变体相比，由于Q493R、G496S和Q498R（D）突变以及Omicron变体中存在的N501Y和Y505H突变（E）导致的局部结构变化，形成了新的相互作用。DeltaRBDK417和ACE2D30之间的盐桥存在于Delta变体刺突蛋白中，但在Omicron变体中丢失，在（F）中突出显示。黄色和红色虚线分别代表氢键和离子相互作用。这些新的相互作用被Delta变体中存在的刺突蛋白残基K417和ACE2残基030之间的关键盐桥的丢失所抵消（留至）o单独来看，K417N突变体显示出降低的ACE2结合亲和力（4，16）,但我们的研究结果表明Omicron界面中的新突变对ACE2结合的强度具有补偿作用，为观察到的类似ACE2结合亲和力提供了解释（图2）o我们接下来研究了Omicron突变对中和的影响，方法是（i）选择的单克隆抗体，（ii）从30名以前没有C0V1D-19感染史的双重接种个体获得的血清和（iii）从一组68从Alpha>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OmicronRBD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Delta（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）oRBD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-S2M11ab8ab1WTS2M11804-8AllConvalescent6.3x4-84A8S309Omicron4A8WIOmicron(n«29)Vaccinated4.4x0S3UJUS1Q3OU.§oso山uoon-62OU.60，WTOmicron(n>68)OSOUJCS5-Ssou.Bo-JDehjOmicron(