Eine Infektion mit SARS-CoV-2 führt zu Antikörpern gegen Erkältungskrankheiten

Eine Infektion mit dem schweren akuten respiratorischen Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) bietet Immunität gegen saisonale humane Coronaviren (HCoVs). Ob eine SARS-CoV-2-Infektion einen Anstieg der bereits vorhandenen HCoV-spezifischen Antikörper verursacht oder kreuzreaktive β-CoV-Antikörper hervorruft, die auf konservierte Epitope abzielen, ist unbekannt.

Eine in der Zeitschrift veröffentlichte Studie Wissenschaftliche Fortschritte verwendet die auf Elektronenmikroskopie basierende polyklonale Epitopkartierung (EMPEM)-Methode, um die Spike-Epitope von β-HCoV aufzuklären, die von bereits vorhandenen Serumantikörpern angegriffen werden, und vergleicht sie mit den Epitopen, auf die Antikörper abzielen, die durch eine SARS-CoV-2-Infektion hervorgerufen wurden, unter Verwendung von auf Elektronenmikroskopie basierenden polyklonalen Epitopen Kartierungsmethodik (EMPEM).

Die Forscher analysierten die Strukturen von Antikörpern (farbig) von gesunden Spendern als Moleküle, die an das Spike-Protein von gewöhnlichen Coronaviren wie OC43 (hier in weiß / grau dargestellt) gebunden sind. Image Scripps-Forschung

Menschliche Coronaviren

Ein Drittel der Erkältungsinfektionen werden durch HCoV verursacht. Zwei αHCoVs, 229E und NL63, und zwei βHCoVs, OC43 und HKU1, sind in der menschlichen Bevölkerung endemisch. Ein Großteil der Bevölkerung erwirbt sich im Alter von 15 Jahren eine HCoV-Infektion. Die Infektionsrate und Prävalenz unterscheiden sich jedoch zwischen verschiedenen geografischen Standorten.

Da die Bevölkerung HCoV ausgesetzt ist, haben die meisten Personen Antikörper gegen diese Viren. Die Antikörper zielen auf das Spike-Protein und das Nukleokapsid-Protein der Viren ab. Die Antikörperspiegel nehmen jedoch mit der Zeit ab, und es kann zu Reinfektionen kommen, manchmal innerhalb eines Jahres.

Zu den β-CoVs gehören auch das hochpathogene Middle East Respiratory Syndrome (MERS) CoV, SARS-CoV und SARS-CoV-2. Die Pandemie der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) ist das Ergebnis der hohen Pathogenität und Übertragbarkeit von SARS-CoV-2.

Reaktivität des menschlichen Serums auf β-CoV-Spikes.  (A) ELISA-EC50-Bindungstiter an OC43-, HKU1-, MERS-, SARS- und SARS-CoV-2-Spikes und mediane Hemmkonzentration (IC50)-Neutralisationstiter gegen OC43-Virus und vesikuläres Stomatitis-Virus (VSV) – pseudotypisiertes SARS oder SARS-CoV- 2-Virus für PP-Seren von acht gesunden Spendern und SC-Seren von drei SARS-CoV-2-Spendern.  Ebola-Virus-Glykoprotein (EBOV GP) wurde als Negativkontrolle zum Nachweis unspezifischer Serumbindung verwendet.  Die EC50- oder IC50-Serumtiter sind mit Farbverläufen in Orange bzw. Aquamarin farbkodiert.  (B) Repräsentative zweidimensionale (2D) Klassen und Seiten- und Draufsichten zusammengesetzter Figuren aus der ns-EMPEM-Analyse von polyklonalen Fabs aus acht PP-Seren mit dem OC43-Spike.  (C) Balkendiagramm-Zusammenfassung von OC43-Spike-Epitopen, auf die PP-Spenderseren abzielen.  Antikörper gegen NTD-Stelle 1 wurden in 2D-Klassendurchschnitten für Spender 269 beobachtet, aber nicht in 3D rekonstruiert, wie durch gepunktete Linien angezeigt.  (D) Zusammengesetzte Figuren aus der ns-EMPEM-Analyse von polyklonalen Fabs von Spender 1412 mit dem HKU1-Spike.  Die Fabs in (B) und (D) sind auf der Grundlage ihrer Epitopspezifitäten wie unten angegeben farbcodiert.  OC43- oder HKU1-Spitzen in (B) und (D) sind in hellgrau bzw. dunkelgrau dargestellt.Reaktivität des menschlichen Serums auf β-CoV-Spikes. (A) ELISA-EC50-Bindungstiter an OC43-, HKU1-, MERS-, SARS- und SARS-CoV-2-Spikes und mediane Hemmkonzentration (IC50)-Neutralisationstiter gegen OC43-Virus und vesikuläres Stomatitis-Virus (VSV) – pseudotypisiertes SARS oder SARS-CoV- 2-Virus für PP-Seren von acht gesunden Spendern und SC-Seren von drei SARS-CoV-2-Spendern. Ebola-Virus-Glykoprotein (EBOV GP) wurde als Negativkontrolle zum Nachweis unspezifischer Serumbindung verwendet. Die EC50- oder IC50-Serumtiter sind mit Farbverläufen in Orange bzw. Aquamarin farbkodiert. (B) Repräsentative zweidimensionale (2D) Klassen und Seiten- und Draufsichten zusammengesetzter Figuren aus der ns-EMPEM-Analyse von polyklonalen Fabs aus acht PP-Seren mit dem OC43-Spike. (C) Balkendiagramm-Zusammenfassung von OC43-Spike-Epitopen, auf die PP-Spenderseren abzielen. Antikörper gegen NTD-Stelle 1 wurden in 2D-Klassendurchschnitten für Spender 269 beobachtet, aber nicht in 3D rekonstruiert, wie durch gepunktete Linien angezeigt. (D) Zusammengesetzte Figuren aus der ns-EMPEM-Analyse von polyklonalen Fabs von Spender 1412 mit dem HKU1-Spike. Die Fabs in (B) und (D) sind auf der Grundlage ihrer Epitopspezifitäten wie unten angegeben farbcodiert. OC43- oder HKU1-Spitzen in (B) und (D) sind in hellgrau bzw. dunkelgrau dargestellt.

Spike-Protein

Das Spike-Protein bindet an den Angiotensin-Converting-Enzyme-2 (ACE2)-Rezeptor der Wirtszellen. Diese Bindung vermittelt den Zelleintritt. Daher entscheidet das Spike-Protein über das Wirtsspektrum und die Art der infizierten Zellen (Zelltropismus). Es ist auch das Hauptziel für neutralisierende Antikörper und folglich das wichtigste Antigen für die Impfstoffentwicklung.

Die SARS-CoV-2-Spitze ist zu 69,2 % ähnlich der SARS-Spitze und zu 27,2 % ähnlich der OC43-Spitze. Es hat wenig Ähnlichkeit mit dem Spike anderer β-CoVs. Trotzdem korreliert eine bereits bestehende Immunität gegen HCoVs mit den Folgen der COVID-19-Krankheit. Dies könnte auf eine Erhöhung der Anti-HCoV-Spike-spezifischen Antikörper nach einer SARS-CoV-2-Infektion zurückzuführen sein. Alternativ könnte dies daran liegen, dass die SARS-CoV-2-Infektion Antikörper hervorruft, die mit dem HCoV-Spike kreuzreagieren.

Interessanterweise weisen mit SARS-CoV-2 infizierte Personen mit hohen Anti-SARS-CoV-2-Antikörperspiegeln auch erhöhte Anti-β-HCoV-Antikörperspiegel auf.

4. ns- und Kryo-EMPEM-Analyse von polyklonalen Fabs aus SC-Spenderseren.  (A) Repräsentative 2D-Klassen und Seiten- und Draufsichten zusammengesetzter Figuren aus der ns-EMPEM-Analyse von polyklonalen Fabs von drei SC-Spendern, die mit β-CoV-Spikes komplexiert sind.  Die Spendernummern zusammen mit den entsprechenden CoV-Spikes sind über jedem Panel in (A) angegeben.  Die Fabs sind auf der Grundlage ihrer Epitopspezifitäten wie unten links angegeben farbcodiert.  SARS-CoV-2-, OC43-, HKU1- und MERS-Spikes sind jeweils in Schiefergrau, Hellgrau, Dunkelgrau und Beige dargestellt.  Dreidimensionale Rekonstruktionen, die potenzielle selbstreaktive Antikörper zeigen, sind in den oberen rechten Ecken für beide Spender 1988 und Spender 1999 im Komplex mit SARS-CoV-2-Spike grau dargestellt.  (B) Zusammengesetzte Abbildung, die fünf einzigartige Antikörperklassen zeigt, Fab11 bis Fab15, gefärbt in Rottönen, zu SARS-CoV-2-Spike-NTD, rekonstruiert unter Verwendung von Kryo-EMPEM-Analyse von polyklonalen Fabs von Spendern 1988 und 1989, komplexiert mit SARS-CoV-2– stabilisierte Spitzen.  (C) Oberflächendarstellung des SARS-CoV-2-Spikes mit Epitopen der Fabs 11 bis 15 aus (B) auf einem einzelnen NTD (schiefergrau) mit einer vergrößerten Ansicht, die die Loop-Reste zeigt, aus denen jedes Epitop besteht.  Die Schleife 144 bis 156 mit dem N149-Glykan bildet ein immundominantes Element, das üblicherweise von den Fabs 11 bis 14 angegriffen wird. Die Subepitop-Farben entsprechen jedem in (B) gezeigten Fab.

4. ns- und Kryo-EMPEM-Analyse von polyklonalen Fabs aus SC-Spenderseren. (A) Repräsentative 2D-Klassen und Seiten- und Draufsichten zusammengesetzter Figuren aus der ns-EMPEM-Analyse von polyklonalen Fabs von drei SC-Spendern, die mit β-CoV-Spikes komplexiert sind. Die Spendernummern zusammen mit den entsprechenden CoV-Spikes sind über jedem Panel in (A) angegeben. Die Fabs sind auf der Grundlage ihrer Epitopspezifitäten wie unten links angegeben farbcodiert. SARS-CoV-2-, OC43-, HKU1- und MERS-Spikes sind jeweils in Schiefergrau, Hellgrau, Dunkelgrau und Beige dargestellt. Dreidimensionale Rekonstruktionen, die potenzielle selbstreaktive Antikörper zeigen, sind in den oberen rechten Ecken für beide Spender 1988 und Spender 1999 im Komplex mit SARS-CoV-2-Spike grau dargestellt. (B) Zusammengesetzte Abbildung, die fünf einzigartige Antikörperklassen zeigt, Fab11 bis Fab15, gefärbt in Rottönen, zu SARS-CoV-2-Spike-NTD, rekonstruiert unter Verwendung von Kryo-EMPEM-Analyse von polyklonalen Fabs von Spendern 1988 und 1989, komplexiert mit SARS-CoV-2– stabilisierte Spitzen. (C) Oberflächendarstellung des SARS-CoV-2-Spikes mit Epitopen der Fabs 11 bis 15 aus (B) auf einem einzelnen NTD (schiefergrau) mit einer vergrößerten Ansicht, die die Loop-Reste zeigt, aus denen jedes Epitop besteht. Die Schleife 144 bis 156 mit dem N149-Glykan bildet ein immundominantes Element, das üblicherweise von den Fabs 11 bis 14 angegriffen wird. Die Subepitop-Farben entsprechen jedem in (B) gezeigten Fab.

Serenanalysen

Die Forscher dieser Studie erzeugten lösliche Proteindomänen der Spike-Proteine ​​von HKU1, OC43, SARS, MERS und SARS-CoV-2. Diese Konstrukte wurden unter Verwendung von Negativfarbelektronenmikroskopie (ns-EM) charakterisiert.

Blutproben wurden von acht Spendern vor der COVID-19-Pandemie und von drei Spendern gesammelt, die nach der Pandemie eine SARS-CoV-2-Infektion erlitten. Die Seren wurden unter Verwendung eines enzymgebundenen Immunadsorptionstests (ELISA) auf Anti-Spike-Antikörper getestet.

Alle acht präpandemischen (PP) Seren wiesen Anti-OC43-Spike-Antikörper auf. Anti-HKU1-Spike-Antikörper waren in allen acht Seren in sehr geringen Mengen vorhanden. Dies kann daran liegen, dass OC43 weltweit verbreitet ist, während HKU1 weniger verbreitet ist. Keines dieser Seren wies Anti-SARS-CoV-2-Spike-Antikörper auf. Eine Serumprobe wies geringe Mengen an Anti-SARS- und Anti-MERS-Spike-Antikörpern auf.

Die drei SARS-CoV-2-Rekonvaleszentenseren (SC) wiesen hohe Konzentrationen an Anti-SARS-CoV-2-Spike-Antikörpern auf. Sie hatten auch Anti-SARS-, Anti-MERS-, Anti-OC43- und Anti-HKU1-Spike-Antikörper. Daher kann eine SARS-CoV-2-Infektion ein gewisses Maß an kreuzreaktiven Antikörpern gegen β-CoV-Spike-Proteine ​​hervorrufen.

Als nächstes stellten die Ermittler fest, ob PP- und SC-Seren das OC43-Virus und SARS- und SARS-CoV-2-Pseudoviren neutralisierten. Wie erwartet neutralisierte keines der PP-Seren das SARS- oder SARS-CoV-2-Pseudovirus. Die SC-Seren neutralisierten das OC43-Virus und SARS- und SARS-CoV-2-Pseudoviren.

Strukturanalysen

Die Forscher bestimmten die spezifischen Epitope, auf die die Anti-Spike-Antikörper in den PP-Seren abzielten, durch ns-EMPEM. Die Strukturen von Antikörper-Spike-Komplexen wurden analysiert. Für diese Analyse wurde ein Teil der Antikörper verwendet, nicht der gesamte Antikörper.

Die Forscher führten hochauflösende Kryo-EMPEM-Studien mit OC43-Spike unter Verwendung von drei PP-Seren durch.

Die Ermittler untersuchten auch die Natur von Anti-Spike-Antikörpern nach einer SARS-CoV-2-Infektion. Die drei SC-Seren wurden mit ns-EMPEM auf Anti-SARS-CoV-2-Spikes gescreent.

Die strukturelle Kartierung von Anti-SARS-CoV-2-Spike-Resten, die mindestens drei der anderen vier β-CoVs ähnlich oder identisch sind, zeigte mehrere konservierte Patches in der S2-Untereinheit des Spike-Proteins, die kreuzreaktive Antikörper hervorrufen können. Die S2-Untereinheit ist also ein Ziel für die Kreuzreaktivität zwischen β-CoVs.

Die PP- und SC-Seren wiesen Anti-OC43-Spike-Antikörper auf. Zwei SC-Seren hatten Antikörper gegen die Stelle 1 der N-terminalen Domäne (NTD), zwei SC-Seren hatten Antikörper gegen die Grenzfläche und ein SC-Serum hatte Antikörper gegen die S2-Untereinheit. Der Anti-S2-Antikörper zielte auf die Helix 1014 bis 1030 ab, einen Teil des Spike-Proteins, der bei den β-CoVs hochgradig konserviert ist. PP-Seren mit hohen Konzentrationen an Anti-OC43-Antikörpern wiesen auch Anti-SARS-CoV-2-Antikörper auf, die nicht mit einem Schutz vor einer SARS-CoV-2-Infektion korrelierten.

Eine SARS-CoV-2-Infektion führte zu einem Anstieg der Anti-HKU1-Spike-Antikörper. Diese Antikörper waren spezifisch für die C-terminale Domäne (CTD) und/oder die NTD- und S2-Domäne.

Antikörper gegen die S1-Untereinheit wurden sowohl in PP- als auch in SC-Seren beobachtet, aber jene gegen die S2-Untereinheit waren in SC-Seren angereichert.

Fazit

Eine SARS-CoV-2-Infektion induziert kreuzreaktive Antikörper gegen konservierte β-CoV-Spike-Epitope und verstärkt gleichzeitig einige HCoV-Anti-Spike-Antikörper. Dieses Cross-Boosting korreliert mit der Pathogenese von COVID-19. Dieses Cross-Boosting kann auch Personen, die mit SARS-CoV-2 geimpft oder zuvor mit SARS-CoV-2 infiziert wurden, Immunität gegen saisonale HCoV verleihen.

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