Entwicklung eines neuartigen Oberflächen-Plasmon-Resonanz-basierten Assays zur Bestimmung der Kinetik der SARS-CoV-2-Spike-Human-ACE2-Interaktion

Ein Team von Wissenschaftlern aus Kanada hat kürzlich die kinetischen und thermodynamischen Eigenschaften der Wechselwirkung zwischen dem humanen Angiotensin-Converting-Enzym 2 (ACE2) und Spike-Rezeptor-Bindungsdomänen (RBD) verschiedener Varianten des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV) untersucht – 2). Die Studie ist derzeit auf der verfügbar Forschungsplatz Preprint-Server.

Studien: Einfluss der Temperatur auf die Wechselwirkungen zwischen gängigen Varianten der SARS-CoV-2-Rezeptorbindungsdomäne und dem menschlichen ACE2. Bildnachweis: Kateryna Kon / Shutterstock

Hintergrund

Mit dem Fortschreiten der Pandemie der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) sind weltweit viele Varianten von SARS-CoV-2 aufgetreten. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat einige von ihnen je nach Grad ihrer Übertragbarkeit, Infektiosität und Fähigkeit zur Immunumgehung als besorgniserregende Varianten (VOCs) oder interessierende Varianten (VOIs) kategorisiert. Während die Alpha-, Beta-, Delta- und Omicron-Varianten als VOCs erkannt wurden, wurden die Kappa-Varianten und B.1.1.7 + L452R (Alpha mit L452R-Mutation) als VOIs bezeichnet.

Es wird angenommen, dass das Auftreten mehrerer Mutationen in den Spike-Proteinen von VOCs und VOIs für ihre verbesserte Übertragbarkeit und Fähigkeit zur Immunumgehung verantwortlich ist. Der Wirtszelleintritt von SARS-CoV-2 wird durch die Bindung von Spike-RBD an den Wirtszellrezeptor ACE2 initiiert. Daher wird erwartet, dass die in der Spike-RBD auftretenden Mutationen ihre Wechselwirkung mit ACE2 verändern und anschließend den viralen Eintrittsprozess modulieren.

In der aktuellen Studie haben die Wissenschaftler die Kinetik der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Spike-RBD-Varianten und menschlichem ACE2 unter Verwendung eines neuartigen auf Oberflächenplasmonresonanz (SPR) basierenden Assays untersucht. Sie haben Wildtyp-, Alpha-, Alpha + L452R-, Beta-, Delta-, Kappa- und Omicron-RBDs für die Wechselwirkungsanalyse berücksichtigt.

SPR-basierter Assay

Der SPR-Assay verwendete eine Coiled-Coil-Strategie, um ACE2 zu erfassen und jede RBD-ACE2-Interaktion ohne allgemeine Artefakte genau aufzuzeichnen. Die kinetischen Konstanten für jede Wechselwirkung wurden unter Verwendung des Langmuir-Kinetikmodells identifiziert, das eine 1:1-Wechselwirkung zwischen Ligand (ACE2) und Analyt (RBD) beschreibt.

Der Unterschied zwischen den kinetischen Profilen jeder RBD-ACE2-Wechselwirkung wurde durch Modulieren der Testtemperatur bei 10 °C, 25 °C und 37 °C entschlüsselt.

Wichtige Beobachtungen

Die Ergebnisse des SPR-basierten Assays zeigten, dass das Vorhandensein der L452R-Mutation die Assoziation und Dissoziation von RBD mit ACE2 deutlich erhöht. Die besten Anpassungen der Wechselwirkungskinetikdaten mit dem Langmuir-Kinetikmodell wurden bei der Testtemperatur von 10°C für alle getesteten Varianten beobachtet. Eine Verringerung der Genauigkeit zwischen den experimentellen Daten und dem Langmuir-Modell wurde beobachtet, wenn die Testtemperatur erhöht wurde.

Basierend auf der aufgezeichneten Kinetik hat die Omicron-RBD die höchste Affinität für ACE2, gefolgt von den Alpha- und Beta-RBDs. Diese hohe Affinität könnte auf das Vorhandensein einer N501Y-RBD-Mutation zurückzuführen sein.

Insbesondere zeigten die Omicron- und Alpha-RBDs 20-fach und 15-fach höhere Affinitäten für ACE2 im Vergleich zu Wildtyp-RBD. Allerdings zeigte die Beta-RBD nur eine 5-fach höhere ACE2-Affinität als die Wildtyp-RBD. Das Vorhandensein der K417N-RBD-Mutation schien die affinitätssteigernde Wirkung der N501Y-Mutation aufzuheben, was zu einer Verringerung der Affinität für ACE2 führte. Insbesondere konnte die Studie keinen signifikanten Einfluss der E484K-Mutation auf die RBD-ACE2-Interaktion feststellen.

Die alpha + L452R-, kappa- und delta-RBDs zeigten 5-fach, 10-fach bzw. 40-fach niedrigere Affinitäten für ACE2 im Vergleich zu Wildtyp-RBD. Da alle diese Varianten die L452R-RBD-Mutation enthalten, glauben Wissenschaftler, dass diese Mutation die RBD-ACE2-Interaktion erheblich stört.

Die thermodynamische Analyse ergab, dass Änderungen der Enthalpie (Gesamtenergie eines Systems) die RBD-ACE2-Interaktion für alle Varianten erleichtern. Die Beiträge der Enthalpieänderungen waren jedoch am stärksten für die Alpha-, Beta- und Omikron-Varianten und am schwächsten für die Kappa- und Alpha + L452R-Varianten.

Ein entgegengesetzter Trend wurde für Änderungen der Entropie (Grad der Unordnung) beobachtet. Während Entropieänderungen die RBD-ACE2-Interaktion für Kappa- und Alpha + L452R-Varianten stabilisierten, störten sie die Interaktion für Alpha-, Beta-, Delta- und Omicron-Varianten. Wie von Wissenschaftlern erwähnt, kann die L452R-Mutation für die gegensätzlichen Trends bei enthalpischen und entropischen Änderungen verantwortlich sein.

Signifikanzstudien

Die Studie beschreibt die Entwicklung eines neuartigen SPR-basierten Assays, der die Kinetik und Thermodynamik der SARS-CoV-2-Spike-RBD-Human-ACE2-Interaktion genau charakterisiert.

* Wichtiger Hinweis

Research Square veröffentlicht vorläufige wissenschaftliche Berichte, die keiner Peer-Review unterzogen wurden und daher nicht als schlüssig angesehen werden sollten, die klinische Praxis / gesundheitsbezogenes Verhalten leiten oder als etablierte Informationen behandelt werden sollten.

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