SARS-CoV-2 코로나19 변이주는 어떻게 면역 반응을 피할 수 있습니까?

신종 코로나바이러스 (SARS-CoV-2)가 왜 대처하기 어려운가요? 이는 자연 감염과 백신 접종으로 인한 면역 압력으로 인해 바이러스가 다양한 변이주를 나타내며 항체의 중화 효과를 회피할 수 있기 때문입니다.

L452R 돌연변이를 가진 Delta 변이주가 등장한 후, 핵심적인 전염 바이러스로서 Alpha、Beta、Gamma、Kappa등 다른 변이주를 대체하게 되었습니다. 초기에 유행한 Omicron 변이주 BA.1은 항체에 민감하지만, L452R을 포함한 하위 유형이 빠르게 등장하고 전 세계적으로 확산되고 있습니다.

광저우 생물 의약 및 건강 연구소가 이끄는 연구팀은 최근 SARS-CoV-2 감염으로 인한 집단 면역 반응을 확인하고 SARS-CoV-2 변이주가 어떻게 나타나 숙주의 면역 반응을 회피하는지 탐구했습니다.이번 성과는 2022년 9월 하순 <Nature Microbiology>잡지에 발표됐다.

연구재료와 방법

이 연구에서 연구진은 6명의 코로나바이러스 회복기 환자로부터 전혈 샘플을 채취하고, Expi293F 세포와 인간 ACE2 유전자를 가진 마우스(Cyagen제공)에서 실험을 실시했습니다. 그들은 파지 디스플레이 라이브러리를 구축하고 스파이크 단백질 RBD에 결합된 항체를 분리했습니다. 그들은 항체에 대한 항원의 결합을 냉동 전자 현미경으로 분석하고 생물막 간섭 기술(BLI)을 통해 결합 동역학, 친화도 및 경쟁적 결합을 측정했습니다.

기술 노선

01. 파지 디스플레이 라이브러리를 구축하고 스파이크 단백질(Spike protein) RBD 와 결합된 항체 분리.

02. 냉동 전자 현미경(cryo-EM)을 통해 R1-32 와 가시 돌기 단백질을 분석하여 복합물의 구조를 형성한다.

03. 항체 및 스파이크 단백질(Spike protein) 돌연변이의 결합을 통해 RBD 교체가 면역 탈출에 미치는 영향을 분석합니다.

04. SARS-CoV-2 감염으로 인한 집단 면역 응답 확인.

연구 결과

1. 항체 R1-32는 SARS-CoV-2 변이주를 중화시켰다

연구원들은 코로나19 회복기 환자 6명의 말초 혈액 단핵구에 있는 항체 유전자를 파지 디스플레이하고 스파이크 단백질의 수용체 결합 도메인(RBD)에 대한 친화도가 높은 6개의 항체를 분리했습니다. 그들은 R1-32 항체가 가장 강력한 유사 바이러스 중화 활성(IC90 = 9.95 nM)을 나타냄을 발견했습니다. R1-32 는 베타 돌연변이와 Omicron BA.1 가짜 바이러스에 모두 양호한 중화작용을 유지했지만 델타 돌연변이에 대한 중화작용이 크게 약화됐다. 인간 ACE2 형질전환 마우스(Cyagen 제공)에 대한 실험은 R1-32가 SARS-CoV-2 야생형 바이러스 감염에 대한 보호 효과가 있음을 보여주었습니다.

냉동 전자 현미경(cryo-EM) 분석을 통해 연구자들은 R1-32 Fab이 스파이크 단백질의 N-말단 도메인(NTD) 위에서 접근하고 RBD에 결합한다는 것을 발견했습니다. 그들은 Fab의 양을 변경하여 R1-32 결합이 RBD 개방을 촉진한다는 것을 발견했습니다. 후속 분석은 R1-32의 HCDR2 및 HCDR3이 RBD와의 상호 작용을 매개한다는 것을 발견했습니다(그림 1). HCDR2 에피토프는 hydrophobic amino acid residue L452, F490 및 L492를 포함하는 반면, 여러 코로나19 변이주의 HCDR2 에피토프는 아미노산 치환되어 R1-32와 RBD 결합의 친화도가 크게 감소하여 HCDR2 에피토프 내의 L452 및 F490이 항체 결합에 매우 중요함을 나타냅니다.

그림 1. R1-32와 SARS-CoV-2 스파이크 단백질은 복합체의 구조를 형성한다

RBD가 down conformation에 있을 때 R1-32 에피토프는 부분적으로 가려지고 HCDR2 에피토프만 완전히 노출됩니다.이 반은폐 에피토프는 R1-32 결합이 RBD의 UP conformation 채택을 촉진하는 이유를 설명합니다. 추가 분석은 R1-32와 함께 배양된 천연 스파이크 단백질이 더 작은 구조로 분해되었음을 발견했으며, 이는 R1-32 결합이 불안정한 개방 스파이크 단백질 구조를 생성함을 시사합니다. 연구자들은 R1-32가 스파이크 단백질의 구조를 파괴하여 바이러스 세포의 진입을 억제하여 바이러스를 중화시킬 가능성이 있다고 믿습니다.

또한, 그들은 R1-32 및 관련 FC08 및 52 항체가 모두 VH1-69 유전자를 variable region of heavy chain으로 사용한다는 것을 발견했습니다. 그들은 매우 유사한 방식으로 RBD에 결합하여 독특한 RBD 표적 항체 부류를 나타냅니다.

2. L452의 RBD 치환은 면역 탈출과 관련이 있다.

델타 변이주(L452R/T478K)는 인도에서 출현한 후 Kappa와 같은 여러 변이주를 대체하여 인기 있는 균주가 되었습니다. 연구진은 Delta 돌연변이의 T478K 가 항체 결합에 영향을 미치지 않는 반면 L452R 은 R1-32 와 FC08 과 RBD 의 결합을 크게 줄였다는 사실을 발견했다. 이러한 결과를 바탕으로 그들은 HCDR2 에피토프 452 부위의 치환이 R1-32 유사 항체를 피할 수 있다고 가정했습니다.

가장 초기의 Omicron 변이주 BA.1 은 452 위치와 490 위치에 어떠한 대체도 포함하지 않았다. 이에 따라 R1-32 와 Omicron BA.1 RBD／/가시돌단백질 삼중합체가 높은 친화력으로 결합되고 Omicron BA.1 가짜 바이러스와 결합되는 것을 발견했다.

연구자들은 R1-32 유사 항체가 인구에서 흔할 수 있다고 추측하고 20명의 COVID-19 환자와 25명의 건강한 기증자의 면역글로불린 Heavy chain(IgH) 라이브러리를 검색했습니다. 그들은 COVID-19 환자의 50%와 건강한 기증자의 24%에서 R1-32 유사 IgH 서열을 검출했습니다. COVID-19 환자의 IGHV1-69 인코딩 라이브러리에서 R1-32 유사 IgH 서열의 백분율은 건강한 기증자보다 유의하게 높았으며, 이는 SARS-CoV-2에 노출된 후 항체 혈통에 상당한 클론 증폭이 있음을 나타냅니다(그림 2).

그림 2. 건강한 개인 및 COVID-19 환자에서 R1-32 유사 항체의 높은 발생률

R1-32 유사 항체의 더 많은 분석을 통해 그들은 452 및 490 부위의 치환이 일반적으로 RBD에 대한 이러한 항체의 결합을 약화시킨다는 것을 발견했습니다. R1-32 및 FC08은 파지 디스플레이에 의해 발견되었지만 heavy chain 및 light chain 구성은 자연적으로 짝을 이룬 R1-32 유사 항체와 매우 유사했습니다. 이들은 SARS-CoV-2 가시돌기 항원이 광범위한 인파 속에서 공유 항체 응답을 유도했다는 것을 증명한다고 보고 있다.

연구원들은 또한 Omicron BA.1 아형이 R1-32 항체 중화에 민감하지만 이후에 출현하는 아형은 L452 치환에 의해 대규모 면역 탈출이 발생한다고 언급했습니다. 이러한 아형의 급속한 출현과 확산은 R1-32 유사 항체가 SARS-CoV-2 바이러스에 강한 면역 압력을 가함을 시사한다.

연구결론

이 연구에서 연구자들은 HCDR2 에피토프 452 및 490 부위의 반복적인 치환이 집단 항체 반응의 면역 탈출과 관련이 있음을 발견했습니다. 이러한 치환(델타 변이주에서 L452R 포함)은 소수성 HCDR2 매개 상호작용을 방해하여 항원에 대한 항체 결합을 방해하여 코로나19 변이주가 탈출할 수 있도록 합니다. 그들은 이러한 돌연변이 핫스팟을 지속적으로 모니터링해야 한다고 생각합니다.

참고 문헌：

[1] He, P., Liu, B., Gao, X. et al. SARS-CoV-2 Delta and Omicron variants evade population antibody response by mutations in a single spike epitope. Nat Microbiol 7, 1635–1649 (2022). https://doi.org/10.1038/s41564-022-01235-4

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