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Aug 07, 2023

L’epistasi compensativa mantiene l’affinità ACE2 nella SARS

Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 7011 (2022) Citare questo articolo

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La variante Omicron BA.1 è emersa alla fine del 2021 e si è diffusa rapidamente in tutto il mondo. Rispetto alle precedenti varianti SARS-CoV-2, BA.1 presenta molte mutazioni, alcune delle quali sono note per consentire la fuga degli anticorpi. Molte di queste mutazioni di fuga dell'anticorpo riducono individualmente l'affinità del dominio legante il recettore del picco (RBD) per ACE2, ma BA.1 lega ancora ACE2 con alta affinità. La forma fisica e l'evoluzione del lignaggio BA.1 sono quindi guidate dagli effetti combinati di numerose mutazioni. Qui, mappiamo sistematicamente le interazioni epistatiche tra le 15 mutazioni nell'RBD di BA.1 relative al ceppo Wuhan Hu-1. Nello specifico, misuriamo l'affinità ACE2 di tutte le possibili combinazioni di queste 15 mutazioni (215 = 32.768 genotipi), coprendo tutti i possibili intermedi evolutivi dal ceppo ancestrale Wuhan Hu-1 a BA.1. Troviamo che le mutazioni di fuga immunitaria in BA.1 riducono individualmente l'affinità ACE2 ma sono compensate da interazioni epistatiche con altre mutazioni che migliorano l'affinità, tra cui Q498R e N501Y. Pertanto, la capacità di BA.1 di eludere l’immunità mantenendo l’affinità ACE2 dipende dall’acquisizione di molteplici mutazioni interagenti. I nostri risultati implicano l’epistasi compensatoria come un fattore chiave che guida un sostanziale cambiamento evolutivo per SARS-CoV-2 e sono coerenti con Omicron BA.1 derivante da un’infezione cronica.

La variante Omicron BA.1 di SARS-CoV-2 è emersa nel novembre 2021 e si è diffusa rapidamente in tutto il mondo, in parte grazie alla sua capacità di sfuggire all’immunità esistente negli individui vaccinati e precedentemente infetti1,2. Sorprendentemente, Omicron non emerse come discendente dell'allora diffuso lignaggio Delta. Invece, appariva come un ceppo altamente divergente dopo aver accumulato dozzine di mutazioni all'interno di un lignaggio che all'epoca non era ampiamente diffuso, comprese 15 mutazioni all'interno del dominio di legame del recettore della proteina spike (RBD)1.

Lavori recenti hanno dimostrato che alcune di queste 15 mutazioni RBD (alcune delle quali sono riscontrate in altre varianti) interrompono il legame di specifici anticorpi monoclonali3,4,5,6,7, contribuendo potenzialmente alla fuga immunitaria. Tuttavia, è stato anche dimostrato che la maggior parte di queste mutazioni riducono l’affinità di legame con l’ACE2 umano quando si presentano all’interno dei lignaggi Wuhan Hu-1, Delta o di molti altri lignaggi SARS-CoV-28,9, compromettendo potenzialmente l’ingresso virale nelle cellule ospiti. Al contrario, l’RBD di Omicron tollera queste mutazioni di fuga pur mantenendo una forte affinità con ACE210,11, suggerendo che altre mutazioni in questo lignaggio possono aiutare a mantenere l’ingresso virale.

Lavori precedenti hanno analizzato sistematicamente gli effetti mutazionali sul legame degli anticorpi e sull'affinità ACE2, ad esempio utilizzando la scansione mutazionale profonda (DMS)9,12. Tuttavia, questi approcci si concentrano sugli effetti di singole mutazioni su specifici background genetici. Sono quindi utili per comprendere i primi passi dell’evoluzione a partire dalle varianti esistenti, ma non possono spiegare come più mutazioni interagiscono su traiettorie evolutive più lunghe. Pertanto, non è chiaro come le combinazioni di mutazioni, come quelle osservate in Omicron, interagiscano sia per eludere l’immunità sia per mantenere una forte affinità con ACE2. Per rispondere a questa domanda, abbiamo utilizzato un approccio di assemblaggio combinatorio per costruire una libreria di plasmidi contenente tutte le possibili combinazioni delle 15 mutazioni nell'Omicron BA.1 RBD (per un totale di 215 = 32.768 varianti). Questa libreria, che rappresenta la più grande libreria combinatoricamente completa di una proteina virale fino ad oggi, include tutti i possibili intermedi evolutivi tra Wuhan Hu-1 e Omicron BA.1 RBD. Abbiamo trasformato questa libreria di plasmidi in un ceppo di visualizzazione di lievito standard, creando una libreria di lievito in cui ciascuna cellula mostra una singola variante monomerica RBD corrispondente al plasmide in quella cellula. Abbiamo quindi utilizzato Tite-Seq, una citometria a flusso ad alto rendimento e un metodo basato sul sequenziamento13,14 (vedere "Metodi"; Figura 1A supplementare), per misurare le affinità di legame, KD,app, di tutte le 32.768 varianti RBD all'ACE2 umano in parallelo.