スパイクのV483の欠失は、ヒトへの適応と宿主域の拡大において進化上の利点を与える

Deletion of V483 in the spike confers evolutionary advantage on SARS-CoV-2 for human adaptation and host-range expansion after a prolonged pandemic

スパイクのV483の欠失は、長期にわたるパンデミック後のヒトへの適応と宿主域の拡大においてSARS-CoV-2に進化上の利点を与える

元→Deletion of V483 in the spike confers evolutionary advantage on SARS-CoV-2 for human adaptation and host-range expansion after a prolonged pandemic | Cell Research (nature.com)

Dear Editor,

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has undergone continuous evolution since its initial outbreak in 2019.
重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2（SARS-CoV-2）は、2019年の最初の発生以来、継続的に進化してきました。

The emergence of Omicron as the dominant variant occurred abruptly after 2022.
優勢な変異体としてのオミクロンの出現は、2022年以降に突然起こりました。

A highly mutated Omicron variant, BA.2.86, has recently been identified and reported in multiple countries.
高度に変異したオミクロン変異体であるBA.2.86が最近特定され、複数の国で報告されました。

The global prevalence of this variant is gradually increasing, as confirmed by the World Health Organization (WHO), which has categorized it as a variant under monitored (VUM).
この変異体の世界的な蔓延は徐々に増加しており、世界保健機関（WHO）によって確認され、監視対象変異体（VUM）に分類されています。

The Spike (S) protein of BA.2.86 has achieved more than 30 amino acid changes since its divergence from the parental BA.2 strain.
BA.2.86 のスパイク (S) タンパク質は、親株 BA.2 から分岐して以来、30 を超えるアミノ酸の変化を遂げています。

Among these changes, the deletion of residue 483 (∆483) in the receptor binding domain (RBD) region stands out (Fig. 1a; Supplementary information, Fig. S1), as deletions in the S protein typically occur in the N-terminal domain (NTD) region of SARS-CoV-2 variants.
これらの変化の中で、受容体結合ドメイン (RBD) 領域の残基 483 (∆483) の欠失が目立っています (図 1a、補足情報、図 S1)。これは、S タンパク質の欠失が通常、SARS-CoV-2 変異体の N 末端ドメイン (NTD) 領域で発生するためです。

Interestingly, the absence of residue 483 has been observed in SARS.
興味深いことに、残基 483 の欠如は SARS で観察されています。

Phylogenic and receptor usage analysis revealed that ∆483 is widespread among sarbecoviruses and is not linked to ACE2 binding (Fig. 1b).
系統発生および受容体使用解析により、∆483 はサルベコウイルスに広く存在し、ACE2 結合とは関連がないことが明らかになりました (図 1b)。

Moreover, the deletion is genetically stable and can be sustained.
さらに、欠失は遺伝的に安定しており、持続可能です。

These findings imply that ∆483 does not hinder the interaction of the virus with ACE2.
これらの知見は、∆483 がウイルスと ACE2 の相互作用を妨げないことを示唆しています。

In fact, it sometimes confers advantage since strains harboring the mutation become new prevalent strains.
実際、変異を持つ株が新しい流行株になるため、有利になることもあります。

To assess the impact of the sudden deletion of 483 in SARS-CoV-2 and its potential link to the viral adaptation across different hosts, as well as its role in human pandemic, we conducted a multidimensional analysis covering receptor usage and infection capabilities in different hosts, along with the effects of the deletion on cell–cell fusion, S protein cleavage, and immunogenicity.
SARS-CoV-2 における 483 の突然の欠失の影響と、異なる宿主間でのウイルス適応との潜在的な関連性、およびヒトのパンデミックにおける役割を評価するために、異なる宿主における受容体使用と感染能力、および欠失が細胞間融合、S タンパク質切断、免疫原性に与える影響を含む多次元解析を実施しました。

The findings reported here aid in the understanding of the evolutionary dynamics of the virus.
ここで報告された知見は、ウイルスの進化ダイナミクスの理解に役立ちます。

BA.2.86 has been demonstrated to display a high affinity for hACE2.
BA.2.86 は hACE2 に対して高い親和性を示すことが実証されています。

The structural conservation of ACE2 in different species not only makes it possible for many sarbecoviruses to use human ACE2 (hACE2) for infection but also increases the chances of cross-species transmission.
異なる種における ACE2 の構造的保存性は、多くのサルベコウイルスが感染にヒト ACE2 (hACE2) を利用できるだけでなく、種間感染の可能性も高めます。

To investigate whether BA.2.86 also exhibits high affinity for ACE2 from animals, we tested wild-type (WT), BA.1, BA.2.75, BA.2.86, and BA.2.86-V483ins for their ability to bind ACE2 from animals under identical conditions (Fig. 1c; Supplementary information, Fig. S2).
BA.2.86 が動物由来の ACE2 に対しても高い親和性を示すかどうかを調べるために、野生型 (WT)、BA.1、BA.2.75、BA.2.86、および BA.2.86-V483ins について、同一条件下で動物由来の ACE2 に結合する能力をテストしました (図 1c、補足情報、図 S2)。

As anticipated, ACE2 from bovine, goat, and cat, which shows high conservation with hACE2, exhibited a greater compatibility for binding with SARS-CoV-2 and its variants.
予想どおり、hACE2 と高い保存性を示すウシ、ヤギ、およびネコ由来の ACE2 は、SARS-CoV-2 およびその変異体との結合においてより高い適合性を示しました。

The affinity gradually increased from WT to BA.2.86, aligning with the trends observed for hACE2.
親和性は WT から BA.2.86 まで徐々に増加し、hACE2 で観察された傾向と一致しました。

Conversely, ACE2s sharing lower conservation with hACE2 showed limited compatibility in binding with SARS-CoV-2 despite weak binding affinities for BA.1 (Fig. 1c).
逆に、hACE2との保存性が低いACE2は、BA.1との結合親和性が弱いにもかかわらず、SARS-CoV-2との結合において互換性が限られていることが示されました（図1c）。

Interestingly, the addition of V483 was more beneficial to the binding of RBD with hACE2, while for animal-derived ACE2, it was found that the affinity with the receptor decreases by more than 1.6-fold after V483 supplementation (Fig. 1d; Supplementary information, Fig. S2).
興味深いことに、V483の添加はRBDとhACE2の結合にさらに有益でしたが、動物由来のACE2の場合、V483の添加後に受容体との親和性が1.6倍以上低下することがわかりました（図1d、補足情報、図S2）。

Additionally, we conducted infection experiments using pseudoviruses of BA.2.86 and BA.2.86-V483ins and tested their ability to infect 293T cells overexpressing either human, bovine, goat, cat, mink or mouse ACE2 (Fig. 1d).
さらに、BA.2.86およびBA.2.86-V483insの擬似ウイルスを使用して感染実験を行い、ヒト、ウシ、ヤギ、ネコ、ミンク、またはマウスのACE2を過剰発現する293T細胞への感染能力をテストしました（図1d）。

The results were consistent with the trends observed in binding affinity studies.
結果は、結合親和性研究で観察された傾向と一致していました。

The addition of V483 increased the infectivity of cells overexpressing hACE2, but decreased the infectivity of cells overexpressing bovine ACE2 (bACE2), goat ACE2, and cat ACE2.
V483 の添加により、hACE2 を過剰発現する細胞の感染性は増加しましたが、ウシ ACE2 (bACE2)、ヤギ ACE2、ネコ ACE2 を過剰発現する細胞の感染性は減少しました。

To investigate the structural basis of these phenomena, we focused on bACE2, which has high affinity for BA.2.86 and BA.2.86-V483ins.
これらの現象の構造的基礎を調査するために、BA.2.86 および BA.2.86-V483ins に対して高い親和性を持つ bACE2 に注目しました。

Cryo-electron microscopy (cryo-EM) was utilized to determine the structures of BA.2.86 S-trimer in complex with bACE2 and BA.2.86-V483ins RBD in complex with bACE2 (Fig. 1e; Supplementary information, Fig. S3 and Table S1).
クライオ電子顕微鏡 (cryo-EM) を利用して、bACE2 と複合体を形成した BA.2.86 S-三量体と、bACE2 と複合体を形成した BA.2.86-V483ins RBD の構造を決定しました (図 1e、補足情報、図 S3 および表 S1)。

We conducted local refinements on the cryo-EM reconstructions of these complexes at near-atomic resolution.
私たちは、これらの複合体のクライオ電子顕微鏡再構成画像を原子レベルに近い解像度で局所的に改良しました。

This refinement process aimed to improve the density around the binding interface between the RBD and ACE2 for enabling a reliable analysis of their interaction modes.
この改良プロセスの目的は、RBD と ACE2 の結合界面周辺の密度を改善し、それらの相互作用モードの信頼性の高い分析を可能にすることでした。

Structural comparisons indicate that residue 483 on RBD does not directly participate in the interaction with the ACE2 receptor, but regulates the binding indirectly through conformational alteration of a loop (residues 474–490) where it is located (Fig. 1f).
構造比較により、RBD の残基 483 は ACE2 受容体との相互作用に直接関与するのではなく、それが位置するループ (残基 474～490) の構造変化を通じて間接的に結合を制御することが示されました (図 1f)。

In the context of RBD interacting with hACE2, the loop primarily modulates hACE2 interaction through hydrophobic interactions involving key residues such as L79, M82, and Y83 on hACE2, with residues P486 as well as Y489 on RBD.
RBD が hACE2 と相互作用する状況では、ループは主に hACE2 の L79、M82、Y83 などの重要な残基と RBD の P486 および Y489 との疎水性相互作用を介して hACE2 の相互作用を調節します。

The presence of residue V483 enhances the flexibility of the loop (Supplementary information, Fig. S4), facilitating a more rational contact between hydrophobic residues P486, and Y489 on RBD and their counterparts on hACE2.
残基 V483 の存在によりループの柔軟性が高まり (補足情報、図 S4)、RBD の疎水性残基 P486 および Y489 と hACE2 の対応する残基とのより合理的な接触が促進されます。

As a result, the hydrophobic interaction surface area increases.
その結果、疎水性相互作用表面積が増加します。

However, deletion of residue V483 reduces the plasticity of the loop, leading to restricted interaction with hACE2 and diminishing the hydrophobic interaction surface area between RBD and hACE2.
ただし、残基 V483 を削除するとループの可塑性が低下し、hACE2 との相互作用が制限され、RBD と hACE2 間の疎水性相互作用表面積が減少します。

It is worth noting that in bovine, goat, and cat ACE2, the conversion of residue 82 to a hydrophilic amino acid, Met→Thr, significantly weakens the hydrophobic binding interactions with the loop of RBD (Supplementary information, Fig. S2), thereby greatly reducing the constraints imposed on loop mobility.
注目すべきは、ウシ、ヤギ、ネコの ACE2 では、残基 82 が親水性アミノ酸 (Met→Thr) に変換されると、RBD のループとの疎水性結合相互作用が大幅に弱まり (補足情報、図 S2)、ループ可動性に課せられる制約が大幅に軽減されることです。

The absence of residue V483 reduces the flexibility of the loop, localizing its flexible conformation and promoting the formation of a stable structure upon binding to bACE2.
残基 V483 が存在しないとループの柔軟性が低下し、柔軟なコンフォメーションが局所化され、bACE2 に結合すると安定した構造の形成が促進されます。

However, the insertion of residue V483 enhances its flexibility even further.
ただし、残基 V483 を挿入すると、柔軟性がさらに高まります。

This directly results in the loss of hydrogen bonding between Y489 on RBD and T21 on bACE2, leading to a significant reduction in the interaction between RBD and bACE2.
これにより、RBD 上の Y489 と bACE2 上の T21 間の水素結合が直接失われ、RBD と bACE2 間の相互作用が大幅に減少します。

To evaluate whether the deletion of V483 could emerge as a prominent characteristic in epidemic strains and its potential advantages for human adaptation, we conducted additional infectivity tests for both XBB.1.5/BA.2.86 and their derivative variants (with or without V483), using the human cell lines 293T-ACE2 and Huh-7 (Fig. 1g).
V483 の欠失が流行株の顕著な特徴として現れるかどうか、またそれがヒトへの適応にどのような利点をもたらす可能性があるかを評価するために、ヒト細胞株 293T-ACE2 および Huh-7 を使用して、XBB.1.5/BA.2.86 とその派生変異体 (V483 の有無にかかわらず) の両方について追加の感染性試験を実施しました (図 1g)。

XBB.1.5, XBB.1.5-∆483, BA.2.86 and BA.2.86-V483ins exhibited consistent results in all the cell lines tested, where the strains without V483 displayed lower infectivity.
XBB.1.5、XBB.1.5-∆483、BA.2.86、および BA.2.86-V483ins は、試験したすべての細胞株で一貫した結果を示し、V483 のない株は感染性が低くなりました。

Remarkably, addition of V483 based on BA.2.86 doubled the infectivity.
驚くべきことに、BA.2.86 をベースに V483 を追加すると、感染力が 2 倍になりました。

We further determined whether the diminished infectivity of the ∆483 strains is correlated with its cell fusion or S cleavage efficiency.
さらに、∆483 株の感染力の低下が細胞融合または S 切断効率と相関しているかどうかを判定しました。

The isolated GFP system was used to monitor fusion events involving BA.2.86 and BA.2.86-V483ins (Fig. 1h).
分離された GFP システムを使用して、BA.2.86 と BA.2.86-V483ins の融合イベントをモニターしました (図 1h)。

It was observed that there was no discernible alteration in cell–cell fusion between BA.2.86-V483ins and BA.2.86.
BA.2.86-V483ins と BA.2.86 の間では、細胞間融合に目立った変化は見られませんでした。

Similarly, there was also no significant difference in the cleavage ability of S protein (Fig. 1i).
同様に、S タンパク質の切断能力にも有意差はありませんでした (図 1i)。

Hence, the reduction in infectivity of human cell lines caused by the deletion of 483 is brought about by changes in receptor affinity, but has no obvious correlation with the changes in cell fusion and S protein cleavage abilities.
したがって、483 の欠失によって引き起こされるヒト細胞株の感染性の低下は、受容体親和性の変化によってもたらされますが、細胞融合および S タンパク質切断能力の変化とは明らかな相関はありません。

In our previous study on the roles of the N354 glycosylation in immunogenicity and immune imprinting, two groups of mice with different immunity backgrounds were established: one was immunized by one single immunogen (BA.5, XBB.1.5, EG.5.1, BA.2.86 or BA.2.86-T356K S-trimer), while the other group was sequentially administrated with various immunogens mimicking real-world natural infection (two doses of WT inactivated vaccines, one dose of BA.5 inactivated vaccine, one dose of recombinant BA.5, XBB.1.5, EG.5.1, BA.2.86 or BA.2.86-T356K S-trimer)(Supplementary information, Fig. S5).
免疫原性と免疫刷り込みにおける N354 グリコシル化の役割に関する以前の研究では、異なる免疫背景を持つ 2 つのマウス グループが確立されました：1 つのグループは単一の免疫原 (BA.5、XBB.1.5、EG.5.1、BA.2.86、または BA.2.86-T356K S-トリマー) で免疫付与され、もう 1 つのグループには実際の自然感染を模倣したさまざまな免疫原 (WT 不活化ワクチンの 2 回投与、BA.5 不活化ワクチンの 1 回投与、組み換え BA.5、XBB.1.5、EG.5.1、BA.2.86、または BA.2.86-T356K S-トリマーの 1 回投与) が順次投与されました (補足情報、図 S5)。

Herein, we added the BA.2.86-V483ins-vaccinated mice in each group to evaluate the effect of 483 on immunogenicity and immune imprinting.
ここでは、各グループに BA.2.86-V483ins を接種したマウスを追加し、483 が免疫原性と免疫刷り込みに及ぼす影響を評価しました。

From the analysis of a single immune background, although both BA.2.86 and BA.2.86-V483ins can induce high levels of neutralizing titers against the BA.2.86 sublineages, a notable antigenic drift was clearly observed with 1.6–2.7-fold (27811/17471, 35369/13320) neutralization differences raised by the residue 483 (Fig. 1j; Supplementary information, Fig. S6).
単一の免疫背景の分析から、BA.2.86 と BA.2.86-V483ins は両方とも BA.2.86 サブ系統に対して高いレベルの中和力価を誘導できますが、残基 483 によって 1.6～2.7 倍 (27811/17471、35369/13320) の中和差が生じる顕著な抗原ドリフトが明確に観察されました (図 1j、補足情報、図 S6)。

Furthermore, BA.2.86 demonstrated ~30% lower immunogenicity compared to BA.2.86-V483ins.
さらに、BA.2.86 は BA.2.86-V483ins と比較して約 30% 低い免疫原性を示しました。

Distinct with single immunity background, BA.2.86-V483ins elicited a significant improvement in neutralizing titers against all tested SARS-CoV-2 variants when compared to BA.2.86 in mice with a hybrid immunity background (Fig. 1k; Supplementary information, Fig. S6).
単一免疫背景とは異なり、BA.2.86-V483ins は、ハイブリッド免疫背景を持つマウスで BA.2.86 と比較した場合、テストされたすべての SARS-CoV-2 変異体に対する中和力価の大幅な改善を引き起こしました (図 1k、補足情報、図 S6)。

More importantly, ∆483 resulted in an ~3.65-fold reduction in the immunogenicity under hybrid immunity background.
さらに重要なことに、∆483 はハイブリッド免疫背景下で免疫原性を約 3.65 倍減少させました。

These findings indicated that ∆483 facilitated less cross-reactive memory B cell recall responses, probably benefiting from immune escape and alleviating immune imprinting in current real-world context.
これらの結果は、∆483 が交差反応性の低い記憶 B 細胞リコール応答を促進することを示しています。 おそらく、現在の現実世界の状況では、免疫回避の恩恵を受け、免疫刷り込みを軽減しています。

To further verify this, we conducted neutralization assays to evaluate the antibody evasion of BA.2.86 and BA.2.86-V483ins against sera from hybrid immunization; a mimicry of real-world infections prior to BA.2.86 emergence (Fig. 1l; Supplementary information, Fig. S7).
これをさらに検証するために、BA.2.86 および BA.2.86-V483ins のハイブリッド免疫血清に対する抗体回避を評価する中和アッセイを実施しました。これは、BA.2.86 出現前の現実世界の感染を模倣したものです (図 1l、補足情報、図 S7)。

In comparison with BA.2.86-V483ins, ∆483 conferred ~1.2–4-fold stronger immune evasion under mimicry of BA.5, BA.2.75, XBB.1.5, EG.5.1 breakthrough infection background, explaining the prevalence of BA.2.86 sublineages.
BA.2.86-V483ins と比較すると、∆483 は、BA.5、BA.2.75、XBB.1.5、EG.5.1 のブレイクスルー感染背景を模倣した状態で、約 1.2～4 倍強力な免疫回避をもたらし、BA.2.86 サブ系統の蔓延を説明しています。

These observations suggest a viral evolution trade-off by compromising infectivity in exchanging for an expanded host range, greater evasion of immunity and lower immune imprinting for a higher goal of co-existence with humans.
これらの観察結果は、感染性を犠牲にして宿主範囲の拡大、免疫回避の強化、免疫刷り込みの低減と引き換えに、ヒトとの共存というより高い目標を掲げたウイルスの進化のトレードオフを示唆しています。

Our structural and functional analysis reveals the following potential implications.
構造および機能解析により、以下の潜在的な影響が明らかになりました。

1) The absence of V483 leads to varying receptor affinity and infectivity of BA.2.86 across different species, highlighting potential species-specific adaptability.
1) V483 が欠如すると、BA.2.86 の受容体親和性と感染性が種によって異なり、種固有の適応性がある可能性が浮き彫りになります。

2) The deletion of V483 may confer a higher risk of animal infection for BA.2.86 relative to humans.
2) V483 が欠失すると、人間に比べて BA.2.86 の動物感染リスクが高くなる可能性があります。

3) The loss of V483 results in reduced immunogenicity and immune imprinting of BA.2.86, while enhancing its evasion capability, indicating that the virus confers a strong advantage for reinfections by future variants.
3) V483 の喪失により、BA.2.86 の免疫原性と免疫インプリンティングが低下し、回避能力が強化されるため、このウイルスは将来の変異体による再感染に対して大きな利点をもたらすことが示唆されます。

4) Regarding the development of an updated (BA.2.86-based) vaccine, the V483 supplementation can serve as an optimal strategy to elicit improved neutralizing titers against BA.2.86 sublineages.
4) 更新された (BA.2.86 ベースの) ワクチンの開発に関しては、V483 の補充は、BA.2.86 亜系統に対する中和力価を向上させるための最適な戦略として機能します。

In summary, our study provides insights into the evolution of the BA.2.86, offering valuable understanding of virus–host interactions and significant implications for the development of therapeutic strategies targeting emerging SARS-CoV-2 variants.
要約すると、私たちの研究は BA.2.86 の進化に関する洞察を提供し、ウイルスと宿主の相互作用に関する貴重な理解と、新たに出現した SARS-CoV-2 変異体を標的とした治療戦略の開発に重要な意味をもたらします。

However, this study is subject to certain limitations.
ただし、この研究には一定の制限があります。

Due to the lack of access to blood samples from individuals infected with or vaccinated against the BA.2.86-V483ins variant under natural conditions, mice were utilized as model organisms to assess the immunogenicity and neutralization capabilities of both the BA.2.86 and BA.2.86-V483ins variants.
自然条件下で BA.2.86-V483ins 変異体に感染した人やワクチン接種を受けた人の血液サンプルを入手できなかったため、マウスをモデル生物として使用し、BA.2.86 と BA.2.86-V483ins 変異体の免疫原性と中和能力を評価しました。

Therefore, there may be slight differences when applying these findings to humans.
したがって、これらの調査結果を人間に適用すると、若干の違いが生じる可能性があります。

以下省略。