Антигенное картирование SARS-CoV-2 (обзор)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Антигенная картография – это подход, позволяющий визуализировать антигенные различия вариантов вируса на основании титров вирус-нейтрализации сывороток. Этот подход с успехом используется при выборе штамма вакцины вируса гриппа. С появлением вариантов SARS-CoV-2, ускользающих от вакцино-индуцированного антительного ответа, возникла необходимость изменения и вакцин против COVID-19. В данном обзоре представлена информация об антигенных различиях вариантов SARS-CoV-2, полученная методом антигенной картографии. Кроме того, описаны возможности методов, основанных на антигенном картировании, а именно: построение антительных ландшафтов и графиков увеличения широты нейтрализации для количественной оценки широты антительного ответа. Понимание антигенных различий вариантов SARS-CoV-2 и возможностей сформированного гуморального иммунитета способствует своевременному обновлению профилактических вакцин против COVID-19.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. А. Астахова

ФБГУ «ГНЦ Институт иммунологии» ФМБА России; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: ast_kat@mail.ru

биологический факультет, кафедра иммунологии

Россия, 115522, Москва; 119234, Москва

А. А. Морозов

ФБГУ «ГНЦ Институт иммунологии» ФМБА России; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: ast_kat@mail.ru

биологический факультет, кафедра иммунологии

Россия, 115522, Москва; 119234, Москва

Ю. Д. Вавилова

Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН

Email: ast_kat@mail.ru
Россия, 117997, Москва

А. В. Филатов

ФБГУ «ГНЦ Институт иммунологии» ФМБА России; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: ast_kat@mail.ru

биологический факультет, кафедра иммунологии

Россия, 115522, Москва; 119234, Москва

Список литературы

  1. Sun, C., Xie, C., Bu, G. L., Zhong, L. Y., and Zeng, M. S. (2022) Molecular characteristics, immune evasion, and impact of SARS-CoV-2 variants, Signal Transduct. Target Ther., 7, 1-25, https://doi.org/10.1038/s41392-022-01039-2.
  2. Tian, D., Sun, Y., Xu, H., and Ye, Q. (2022) The emergence and epidemic characteristics of the highly mutated SARS-CoV-2 Omicron variant, J. Med. Virol., 94, 2376-2383, https://doi.org/10.1002/jmv.27643.
  3. Guo, Y., Han, J., Zhang, Y., He, J., Yu, W., Zhang, X., Wu, J., Zhang, S., Kong, Y., Guo, Y., Lin, Y., and Zhang, J. (2022) SARS-CoV-2 Omicron variant: epidemiological features, biological characteristics, and clinical significance, Front. Immunol., 13, 1-13, https://doi.org/10.3389/fimmu.2022.877101.
  4. Li, J., Lai, S., Gao, G. F., and Shi, W. (2021) The emergence, genomic diversity and global spread of SARS-CoV-2, Nature, 600, 408-418, https://doi.org/10.1038/s41586-021-04188-6.
  5. Komissarov, A. B., Safina, K. R., Garushyants, S. K., Fadeev, A. V., Sergeeva, M. V., Ivanova, A. A., Danilenko, D. M., Lioznov, D., Shneider, O. V., Shvyrev, N., Spirin, V., Glyzin, D., Shchur, V., and Bazykin, G. A. (2021) Genomic epidemiology of the early stages of the SARS-CoV-2 outbreak in Russia, Nat. Commun., 12, 1-13, https://doi.org/10.1038/s41467-020-20880-z.
  6. Smith, D. J., Lapedes, A. S., De Jong, J. C., Bestebroer, T. M., Rimmelzwaan, G. F., Osterhaus, A. D. M. E., and Fouchier, R. A. M. (2004) Mapping the antigenic and genetic evolution of influenza virus, Science, 305, 371-376, https://doi.org/ 10.1126/science.1097211.
  7. Tan, C. W., Chia, W. N., Qin, X., Liu, P., Chen, M. I.-C., Tiu, C., Hu, Z., Chen, V. C.W., Young, B. E., Sia, W. R., Tan, Y.-J., Foo, R., Yi, Y., Lye, D. C., Anderson, D. E., and Wang, L. F. (2020) A SARS-CoV-2 surrogate virus neutralization test based on antibody-mediated blockage of ACE2-spike protein-protein interaction, Nat. Biotechnol., 38, 1073-1078, https://doi.org/10.1038/s41587-020-0631-z.
  8. Astakhova, E. A., Byazrova, M. G., Yusubalieva, G. M., Larichev, V. F., Baklaushev, V. P., and Filatov, A. V. (2022) High heterogeneity of virus-neutralizing and RBD-binding activities of COVID-19 convalescent sera, Mol. Biol., 56, 1095-1103, https://doi.org/10.1134/S002689332206005X.
  9. Hyseni, I., Molesti, E., Benincasa, L., Piu, P., Casa, E., Temperton, N. J., Manenti, A., and Montomoli, E. (2020) Characterisation of SARS-CoV-2 lentiviral pseudotypes and correlation between pseudotype-based neutralisation assays and live virus-based micro neutralisation assays, Viruses, 12, 1011, https://doi.org/10.3390/ v12091011.
  10. Schmidt, F., Weisblum, Y., Muecksch, F., Hoffmann, H. H., Michailidis, E., Lorenzi, J. C. C., Mendoza, P., Rutkowska, M., Bednarski, E., Gaebler, C., Agudelo, M., Cho, A., Wang, Z., Gazumyan, A., Cipolla, M., Caskey, M., Robbiani, D. F., Nussenzweig, M. C., Rice, C. M., Hatziioannou, T., and Bieniasz, P. D. (2020) Measuring SARS-CoV-2 neutralizing antibody activity using pseudotyped and chimeric viruses, J. Exp. Med., 217, e20201181, https://doi.org/10.1084/jem.20201181.
  11. Saeys, Y., Van Gassen, S., and Lambrecht, B. N. (2016) Computational flow cytometry: Helping to make sense of high-dimensional immunology data, Nat. Rev. Immunol., 16, 449-462, https://doi.org/10.1038/nri.2016.56.
  12. Dorrity, M. W., Saunders, L. M., Queitsch, C., Fields, S., and Trapnell, C. (2020) Dimensionality reduction by UMAP to visualize physical and genetic interactions, Nat. Commun., 11, 1-6, https://doi.org/10.1038/s41467-020-15351-4.
  13. Becht, E., McInnes, L., Healy, J., Dutertre, C. A., Kwok, I. W. H., Ng, L. G., Ginhoux, F., and Newell, E. W. (2019) Dimensionality reduction for visualizing single-cell data using UMAP, Nat. Biotechnol., 37, 38-47, https://doi.org/10.1038/nbt.4314.
  14. Van der Maaten, L., and Hinton, G. (2008) Visualizing data using t-SNE, J. Mach. Learn. Res., 9, 2579-2605.
  15. McInnes, L., Healy, J., and Melville, J. (2021) UMAP: Uniform Manifold Approximation and Projection for dimension reduction, arXiv preprint arXiv, 2109.02508, https://doi.org/10.48550/arXiv.1802.03426.
  16. Cai, Z., Zhang, T., and Wan, X. (2012) Antigenic distance measurements for seasonal influenza vaccine selection, Vaccine, 30, 448-453, https://doi.org/10.1016/j.vaccine.2011.10.051.
  17. Amanat, F., Strohmeier, S., Meade, P., Dambrauskas, N., Mühlemann, B., Smith, D. J., Vigdorovich, V., Sather, D. N., Coughlan, L., and Krammer, F. (2021) Vaccination with SARS-CoV-2 variants of concern protects mice from challenge with wild-type virus, PLoS Biol., 19, 1-14, https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001384.
  18. Mykytyn, A. Z., Rissmann, M., Kok, A., Rosu, M. E., Schipper, D., Breugem, T. I., van den Doel, P. B., Chandler, F., Bestebroer, T., de Wit, M., van Royen, M. E., Molenkamp, R., Oude Munnink, B. B., de Vries, R. D., GeurtsvanKessel, C., Smith, D. J., Koopmans, M. P. G., Rockx, B., Lamers, M. M., Fouchier, R. A. M., and Haagmans, B. L. (2022) Antigenic cartography of SARS-CoV-2 reveals that Omicron BA.1 and BA.2 are antigenically distinct, Sci. Immunol., 7, eabq4450, https://doi.org/10.1126/sciimmunol.abq4450.
  19. Wilks, S. H., Mühlemann, B., Shen, X., Türeli, S., LeGresley, E. B., Netzl, A., Caniza, M. A., Chacaltana-Huarcaya, J. N., Corman, V. M., Daniell, X., Datto, M. B., Dawood, F. S., Denny, T. N., Drosten, C., Fouchier, R. A. M., Garcia, P. J., Halfmann, P. J., Jassem, A., Jeworowski, L. M., Jones, T. C., Kawaoka, Y., Krammer, F., McDanal, C., Pajon, R., Simon, V., Stockwell, M. S., Tang, H., van Bakel, H., Veguilla, V., Webby, R., Montefiori, D. C., and Smith, D. J. (2023) Mapping SARS-CoV-2 antigenic relationships and serological responses, Science, 382, eadj0070, https://doi.org/10.1126/science.adj0070.
  20. Wang, W., Lusvarghi, S., Subramanian, R., Epsi, N. J., Wang, R., Goguet, E., Fries, A. C., Echegaray, F., Vassell, R., Coggins, S. A., Richard, S. A., Lindholm, D. A., Mende, K., Ewers, E. C., Larson, D. T., Colombo, R. E., Colombo, C. J., Joseph, J. O., Rozman, J. S., Smith, A., Lalani, T., Berjohn, C. M., Maves, R. C., Jones, M. U., Mody, R., Huprikar, N., Livezey, J., Saunders, D., Hollis-Perry, M., Wang, G., Ganesan, A., Simons, M. P., Broder, C. C., Tribble, D. R., Laing, E. D., Agan, B. K., Burgess, T. H., Mitre, E., Pollett, S. D., Katzelnick, L. C., and Weiss, C. D. (2022) Antigenic cartography of well-characterized human sera shows SARS-CoV-2 neutralization differences based on infection and vaccination history, Cell Host Microbe, 30, 1745-1758.e7, https://doi.org/10.1016/j.chom.2022.10.012.
  21. Van der Straten, K., Guerra, D., van Gils, M. J., Bontjer, I., Caniels, T. G., van Willigen, H. D. G., Wynberg, E., Poniman, M., Burger, J. A., Bouhuijs, J. H., van Rijswijk, J., Olijhoek, W., Liesdek, M. H., Lavell, A. H. A., Appelman, B., Sikkens, J. J., Bomers, M. K., Han, A. X., Nichols, B. E., Prins, M., Vennema, H., Reusken, C., de Jong, M. D., de Bree, G. J., Russell, C. A., Eggink, D., and Sanders, R. W. (2022) Antigenic cartography using sera from sequence-confirmed SARS-CoV-2 variants of concern infections reveals antigenic divergence of Omicron, Immunity, 55, 1725-1731.e4, https://doi.org/10.1016/j.immuni.2022.07.018.
  22. Mühlemann, B., Trimpert, J., Walper, F., and Schmidt, M. L. (2023) Antigenic cartography using variant-specific hamster sera reveals substantial antigenic variation among Omicron subvariants, bioRxiv, https://doi.org/ 10.1101/2023.07.02.547076.
  23. Bekliz, M., Adea, K., Vetter, P., Eberhardt, C. S., Hosszu-Fellous, K., Vu, D. L., Puhach, O., Essaidi-Laziosi, M., Waldvogel-Abramowski, S., Stephan, C., L’Huillier, A. G., Siegrist, C.-A., Didierlaurent, A. M., Kaiser, L., Meyer, B., and Eckerle, I. (2022) Neutralization capacity of antibodies elicited through homologous or heterologous infection or vaccination against SARS-CoV-2 VOCs, Nat. Commun., 13, 1-10, https://doi.org/10.1038/s41467-022-31556-1.
  24. Lusvarghi, S., Pollett, S. D., Neerukonda, S. N., Wang, W., Wang, R., Vassell, R., Epsi, N. J., Fries, A. C., Agan, B. K., Lindholm, D. A., Colombo, C. J., Mody, R., Ewers, E. C., Lalani, T., Ganesan, A., Goguet, E., Hollis-Perry, M., Coggins, S. A., Simons, M. P., Katzelnick, L. C., Wang, G., Tribble, D. R., Bentley, L., Eakin, A. E., Broder, C. C., Erlandson, K. J., Laing, E. D., Burgess, T. H., Mitre, E., and Weiss, C. D. (2022) SARS-CoV-2 BA.1 variant is neutralized by vaccine booster-elicited serum but evades most convalescent serum and therapeutic antibodies, Sci. Transl. Med., 14, 8543, https://doi.org/10.1126/scitranslmed.abn8543.
  25. Mykytyn, A. Z., Rosu, M. E., Kok, A., Rissmann, M., van Amerongen, G., Geurtsvankessel, C., de Vries, R. D., Munnink, B. B. O., Smith, D. J., Koopmans, M. P. G., Lamers, M. M., Fouchier, R. A. M., and Haagmans, B. L. (2023) Antigenic mapping of emerging SARS-CoV-2 omicron variants BM.1.1.1, BQ.1.1, and XBB.1, Lancet Microbe, 4, e294-e295, https://doi.org/10.1016/S2666-5247(22)00384-6.
  26. Wang, X., Jiang, S., Jiang, S., Li, X., Ai, J., Lin, K., Lv, S., Zhang, S., Li, M., Li, J., Dai, L., Hu, Z., Zhang, W., Zhang, Y., and Wang, P. (2023) Neutralization of SARS-CoV-2 BQ.1.1, CH.1.1, and XBB.1.5 by breakthrough infection sera from previous and recent waves in China, Cell Discov., 9, 5-8, https://doi.org/10.1038/s41421-023-00569-5.
  27. Rössler, A., Netzl, A., Knabl, L., Schäfer, H., Wilks, S. H., Bante, D., Falkensammer, B., Borena, W., von Laer, D., Smith, D. J., and Kimpel, J. (2022) BA.2 and BA.5 omicron differ immunologically from both BA.1 omicron and pre-omicron variants, Nat. Commun., 13, 7701, https://doi.org/10.1038/s41467-022-35312-3.
  28. Fouchier, R. A. M., and Smith, D. J. (2010) Use of antigenic cartography in vaccine seed strain selection, Avian Dis., 54, 220-223, https://doi.org/10.1637/8740-032509-ResNote.1.
  29. Xia, H., Yeung, J., Kalveram, B., Bills, C. J., Chen, J. Y. C., Kurhade, C., Zou, J., Widen, S. G., Mann, B. R., and Kondor, R. (2023) Cross-neutralization and viral fitness of SARS-CoV-2 Omicron sublineages, Emerg. Microbes Infect., 12, e2161422, doi: 10.1080/22221751.2022.2161422.
  30. Kurhade, C., Zou, J., Xia, H., Liu, M., Chang, H. C., Ren, P., Xie, X., and Shi, P. Y. (2023) Low neutralization of SARS-CoV-2 Omicron BA.2.75.2, BQ.1.1 and XBB.1 by parental mRNA vaccine or a BA.5 bivalent booster, Nat. Med., 29, 344-347, https://doi.org/10.1038/s41591-022-02162-x.
  31. Hoffmann, M., Behrens, G. M. N., Arora, P., Kempf, A., Nehlmeier, I., Cossmann, A., Manthey, L., Dopfer-Jablonka, A., and Pöhlmann, S. (2022) Effect of hybrid immunity and bivalent booster vaccination on Omicron sublineage neutralization, Lancet, 23, 25-28, https://doi.org/10.1016/S1473-3099(22)00792-7.
  32. Roessler, A., Netzl, A., Knabl, L., Bante, D., Wilks, S. H., Borena, W., von Laer, D., Smith, D. J., and Kimpel, J. (2023) Characterizing SARS-CoV-2 neutralization profiles after bivalent boosting using antigenic cartography, Nat. Commun., 14, 5224, https://doi.org/10.1038/s41467-023-41049-4.
  33. Coombes, N., Bewley, K. R., Duff, Y. Le, Alami-Rahmouni, N., Ryan, K. A., Kempster, S., Ferguson, D., Davies, E. R., Weldon, T. M., Cross, E. S. (2023) Evaluation of the neutralising antibody response in human and hamster sera against SARS-CoV-2 variants up to and including BA.2.86 using an authentic virus neutralisation assay, bioRxiv, https://doi.org/10.1101/2023.10.21.563398.
  34. Qu, P., Xu, K., Faraone, J. N., Goodarzi, N., Zheng, Y.-M., Carlin, C., Bednash, J. S., Horowitz, J. C., Mallampall, R. K., and Saif, L. J. (2023) Immune evasion, infectivity, and fusogenicity of SARS-CoV-2 Omicron BA.2.86 and flip variants, bioRxiv, https://doi.org/10.1101/2023.09.11.557206.
  35. Ba, S., Ho, J., Zhang, R. M., Iketani, S., Yu, J., Huang, Y., and Qu, Y. (2023) Antigenicity and receptor affinity of SARS-CoV-2 BA.2.86 spike, Nature, 624, 639-644, https://doi.org/10.1038/s41586-023-06750-w.
  36. Neerukonda, S. N., Vassell, R., Lusvarghi, S., Wang, R., Echegaray, F., Bentley, L., Eakin, A. E., Erlandson, K. J., Katzelnick, L. C., Weiss, C. D., and Wang, W. (2021) SARS-CoV-2 Delta variant displays moderate resistance to neutralizing antibodies and Spike protein properties of higher soluble ACE2 sensitivity, enhanced cleavage and fusogenic activity, Viruses, 13, 2485, https://doi.org/10.3390/v13122485.
  37. Astakhova, E. A., Morozov, A. A., Byazrova, M. G., Sukhova, M. M., Mikhailov, A. A., Minnegalieva, A. R., Gorchakov, A. A., and Filatov, A. V. (2023) Antigenic cartography indicates that the Omicron BA.1 and BA.4/BA.5 variants remain antigenically distant to ancestral SARS-CoV-2 after Sputnik V vaccination followed by homologous (Sputnik V) or heterologous (Comirnaty) revaccination, Int. J. Mol. Sci., 24, 10493, https://doi.org/10.3390/ijms241310493.
  38. Anderson, C. S., Sangster, M. Y., Yang, H., Mariani, T. J., Chaudhury, S., and Topham, D. J. (2020) Implementing sequence-based antigenic distance calculation into immunological shape space model, BMC Bioinformatics, 21, 1-13, https://doi.org/10.1186/s12859-020-03594-3.
  39. Anderson, E. J., Rouphael, N. G., Widge, A. T., Jackson, L. A., Roberts, P. C., Makhene, M., Chappell, J. D., Denison, M. R., Stevens, L. J., Pruijssers, A. J., McDermott, A. B., Flach, B., Lin, B. C., Doria-Rose, N. A., O’Dell, S., Schmidt, S. D., Corbett, K. S., Swanson, P. A., Padilla, M., Neuzil, K. M., Bennett, H., Leav, B., Makowski, M., Albert, J., Cross, K., Edara, V. V., Floyd, K., Suthar, M. S., Martinez, D. R., Baric, R., Buchanan, W., Luke, C. J., Phadke, V. K., Rostad, C. A., Ledgerwood, J. E., Graham, B. S., and Beigel, J. H. (2020) Safety and immunogenicity of SARS-CoV-2 mRNA-1273 vaccine in older adults, N. Engl. J. Med., 383, 2427-2438, https://doi.org/10.1056/NEJMoa2028436.
  40. Walsh, E. E., Frenck, R. W., Falsey, A. R., Kitchin, N., Absalon, J., Gurtman, A., Lockhart, S., Neuzil, K., Mulligan, M. J., Bailey, R., Swanson, K. A., Li, P., Koury, K., Kalina, W., Cooper, D., Fontes-Garfias, C., Shi, P.-Y., Türeci, Ö., Tompkins, K. R., Lyke, K. E., Raabe, V., Dormitzer, P. R., Jansen, K. U., Şahin, U., and Gruber, W. C. (2020) Safety and immunogenicity of two RNA-based COVID-19 vaccine candidates, N. Engl. J. Med., 383, 2439-2450, https:// doi.org/10.1056/NEJMoa2027906.
  41. Logunov, D. Y., Dolzhikova, I. V., Zubkova, O. V., Tukhvatullin, A. I., Shcheblyakov, D. V., Dzharullaeva, A. S., Grousova, D. M., Erokhova, A. S., Kovyrshina, A. V., Botikov, A. G., Izhaeva, F. M., Popova, O., Ozharovskaya, T. A., Esmagambetov, I. B., Favorskaya, I. A., Zrelkin, D. I., Voronina, D. V., Shcherbinin, D. N., Semikhin, A. S., Simakova, Y. V., Tokarskaya, E. A., Lubenets, N. L., Egorova, D. A., Shmarov, M. M., Nikitenko, N. A., Morozova, L. F., Smolyarchuk, E. A., Kryukov, E. V., Babira, V. F., Borisevich, S. V., Naroditsky, B. S., and Gintsburg, A. L. (2020) Safety and immunogenicity of an rAd26 and rAd5 vector-based heterologous prime-boost COVID-19 vaccine in two formulations: two open, non-randomised phase 1/2 studies from Russia, Lancet, 396, 887-897, https:// doi.org/10.1016/S0140-6736(20)31866-3.
  42. Witt, J. K. (2019) Introducing hat graphs, Cogn. Res. Princ. Implic., 4, 1-17, https://doi.org/10.1186/s41235-019-0182-3.
  43. Fonville, J. M., Wilks, S. H., James, S. L., Fox, A., Ventresca, M., Aban, M., Xue, L., Jones, T. C., Le, N. M. H., Pham, Q. T., Tran, N. D., Wong, Y., Mosterin, A., Katzelnick, L. C., Labonte, D., Le, T. T., van der Net, G., Skepner, E., Russell, C. A., Kaplan, T. D., Rimmelzwaan, G. F., Masurel, N., De Jong, J. C., Palache, A., Beyer, W. E. P., Le, Q. M., Nguyen, T. H., Wertheim, H. F. L., Hurt, A. C., Osterhaus, A. D. M. E., Barr, I. G., Fouchier, R. A. M., Horby, P. W., and Smith, D. J. (2014) Antibody landscapes after influenza virus infection or vaccination, Science, 346, 996-1000, https:// doi.org/10.1126/science.1256427.
  44. Schaefer-Babajew, D., Wang, Z., Muecksch, F., Cho, A., Loewe, M., Cipolla, M., Raspe, R., Johnson, B., Canis, M., DaSilva, J., Ramos, V., Turroja, M., Millard, K. G., Schmidt, F., Witte, L., Dizon, J., Shimeliovich, I., Yao, K. H., Oliveira, T. Y., Gazumyan, A., Gaebler, C., Bieniasz, P. D., Hatziioannou, T., Caskey, M., and Nussenzweig, M. C. (2023) Antibody feedback regulates immune memory after SARS-CoV-2 mRNA vaccination, Nature, 613, 735-742, https:// doi.org/10.1038/s41586-022-05609-w.
  45. Schiepers, A., van ’t Wout, M. F. L., Greaney, A. J., Zang, T., Muramatsu, H., Lin, P. J. C., Tam, Y. K., Mesin, L., Starr, T. N., Bieniasz, P. D., Pardi, N., Bloom, J. D., and Victora, G. D. (2023) Molecular fate-mapping of serum antibody responses to repeat immunization, Nature, 615, 482-489, https://doi.org/10.1038/s41586-023-05715-3.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Пример антигенной карты SARS-CoV-2, адаптировано из работы Mykytyn et al. [18]. Кругами показано расположение отдельных антигенов, квадратами – расположение индивидуальных сывороток, пунктирной линией выделены варианты, имеющие общие указанные замены; АЕ – антигенная единица

Скачать (75KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Пример антительных ландшафтов, адаптировано из работы Roessler et al. [32]

Скачать (99KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Пример графика увеличения широты нейтрализации при гомо- и гетерологичной ревакцинации, адаптировано из работы Astakhova et al. [37]

Скачать (120KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024