БИОФИЗИКА, 2020, том 65, № 4, с. 824-832

ДИСКУССИИ

УДК 577.11, 577.22

ИЗМЕНЕНИЕ АНТИГЕННЫХ ДЕТЕРМИНАНТ S-БЕЛКА ВИРУСА

SARS-CoV-2 КАК ВОЗМОЖНАЯ ПРИЧИНА АНТИТЕЛОЗАВИСИМОГО

УСИЛЕНИЯ ИНФЕКЦИИ И ЦИТОКИНОВОГО ШТОРМА

*Инcтитут молекуляpной биологии им. В.А. Энгельгаpдта PАН, 119991, Моcква, ул. Вавилова, 32

**Сендай Виралитикс (Sendai Viralytics), Актон, Массачусетс, США

***Биополимер Дизайн (Biopolymer Design), Актон, Массачусетс, США

E-mail: nech99@mail.ru

Поступила в редакцию 28.05.2020 г.

После доработки 28.05.2020 г.

Принята к публикации 05.06.2020 г.

Предложена гипотеза о том, что цитокиновый шторм, возникающий как осложнение у больных

COVID-19, является следствием феномена антителозависимого усиления инфекции, а сам феномен

в свою очередь обусловлен изменением доминантных антигенных детерминант в шиповидном S-

белке вируса SARS-CoV-2. Антителозависимое усиление инфекции - это явление, при котором

связывание вируса с субоптимальными антителами, которые не являются нейтрализующими, ин-

дуцирует проникновение вируса в клетки иммунной системы, что приводит к их массовой гибели.

Явление антителозависимого усиления инфекции показано для ряда коронавирусов. Усиление ин-

фекции в этих случаях может быть спровоцировано изменением антигенных детерминант S-белка.

Такое изменение может приводить, согласно нашей гипотезе, к уменьшению прочности связыва-

ния нейтрализующих антител с вирусом, превращая их в субоптимальные - не нейтрализующие.

Изменчивость линейных и/или конформационных антигенных детерминант S-белка может реали-

зоваться за счет смены конформации и вариабельности ряда аминокислот в этом белке. Эта вариа-

бельность является следствием генетического разнообразия квазивидов. Подобная изменчивость

может вызывать не только структурные изменения в S-белке, но и влиять на динамику смены его

конформаций. Все эти явления могут происходить в процессе вирусной инфекции SARS-CoV-2 и

объяснять тяжелое течении болезни у некоторых зараженных.

Ключевые слова: COVID-19, коронавирус, SARS-CoV-2, антителозависимое усиление инфекции, АЗУИ,

ADE, шиповидный белок, S-белок, смена конформаций, антигенные детерминанты, смена эпитопов.

DOI: 10.31857/S0006302920040262

АНТИТЕЛОЗАВИСИМОЕ

Вирусы SARS-CoV-1 и SARS-CoV-2 атакуют

УСИЛЕНИЕ ИНФЕКЦИИ

клетки, несущие рецептор ACE2, и вызывают их

заражение. Для вируса SARS-CoV-1, который

На рис. 1 представлена схема, иллюстрирую-

щая явление ADE. Специфические антитела

изучается с 2002 г. (он вызывает болезнь SARS с

(IgG) при ADE формируют несовершенные, не-

высокой летальностью), известен еще один фено-

достаточно прочные комплексы с вирусом, помо-

мен - он может проникать в клетки иммунной

гая ему заражать лейкоциты хозяина, несущие ре-

системы и провоцировать антителозависимое

цептор FcγRII [6, 8, 10-13]. Комплекс антитела с

усиление вирусной инфекции (англ.: antibody de-

вирусом связывается с FcγRII-рецептором лей-

pendent enhancement - ADE) [1-4]. Это явление

коцитов и поглощается этими клетками. В норме

этот процесс приводит к разрушению вируса

описано для разных вирусов [5]. Чаще всего оно

внутри лейкоцита и выздоровлению, как показа-

наблюдается у вирусов с геномом, представлен-

но в левой части рис. 1. Однако при патологии ви-

ным (+)-цепью РНК [6], в том числе и у корона-

рус, освободившись от антитела, начинает репли-

вирусов [1, 2, 7-9].

кативный цикл внутри лейкоцита, как показано в

правой части рисунка [1, 2, 7-13].

Сокращения: ADE - антителозависимое усиление инфек-

ции (antibody dependent enhancement), RBD - рецептор-

SARS-CoV-2 (по предварительным данным,

связывающий домен (receptor binding domen). .

которые пока не прошли верификации) способен

824

ИЗМЕНЕНИЕ АНТИГЕННЫХ ДЕТЕРМИНАНТ S-БЕЛКА

825

Эволюция вирусных антигенов

Нейтрализующие

Нейтрализующие антитела

Мутации в гене шиповидного (S) белка

стали плохо связывать вирус

антитела

Смена вирусных

квазивидов в популяции

Моноцит/макрофаг

Смена конформации

(CD32+)

RBD-домена S-белка

FcγRII-рецептор

Массовая гибель

Инактивация вируса

клеток

Выздоровление без осложнений

Цитокиновый шторм

Рис. 1. Схема антитело-зависимого усиления инфекции для SARS-CoV. Слева показан сценарий «правильного» им-

мунного ответа на бета-коронавирус, когда нейтрализующие антитела способствуют элиминации вируса из организ-

ма. Справа представлен сценарий иммунопатологии, которая возникает при изменении антигена коронавирусов. Ан-

титело-зависимое усиление инфекции наблюдается, когда специфические антитела (IgG) формируют несовершен-

ные комплексы с вирусом. Комплекс антитела с вирусом связывается с FcγRII-рецептором лейкоцитов и поглощается

ими. Далее внутри лейкоцита вирус выходит из эндосомы уже без антитела и начинает репликативный цикл. Можно

предположить, что SARS-CoV-2 тоже вызывает ADE и делает это по сходному механизму. Возможно, что смена ами-

нокислоты в 614-й позиции шиповидного (S) белка отвечает за смену конформации этого белка и в конечном счете за

ADE.

напрямую проникать в Т-лимфоциты за счет ши-

ми антителами приводит к элиминации вируса из

повидного (S) белка и скорее всего способен уби-

организма, а комплекс с субоптимальными не

вать эти клетки [14]. Однако возможно, что кроме

нейтрализующими антителами может приводить

этого процесса, по аналогии с SARS-CoV-1 [1-4],

размножению вируса в клетках иммунной систе-

этот вирус за счет комплексообразования с анти-

мы, усилению инфекции и цитокиновому штор-

телами способен инфицировать несущие рецеп-

му. Функциональная классификация антител, где

тор FcγRII лейкоциты CD32+ (такие как моноци-

включена категория антител, вызывающих ADE,

ты и макрофаги). Этот процесс описан для раз-

предложена в работах [12, 16].

ных бета-коронавирусов [1, 2, 7-11] и может

Ключевую роль в патологическом воспали-

приводить к массовой гибели иммунных клеток

тельном процессе, возникающем у пациентов с

и, как следствие этой гибели, вызывать цитоки-

COVID-19, по мнению некоторых исследовате-

новый шторм.

лей, играют моноциты и макрофаги [17]. Эти на-

Некоторые категории лейкоцитов обладают

блюдения можно объяснить, если предположить,

рецептором FcγRII, и благодаря этому связывают

что вирус при тяжелом течении COVID-19 приоб-

и поглощают комплекс «антитело-вирус» [15].

ретает за счет ADE способность инфицировать

Нейтрализующие антитела связывают вирус

эти клетки иммунной системы. Насколько вероя-

прочно, вирус внутри лейкоцита не может осво-

тен для SARS-CoV-2 процесс ADE? Патогенез за-

бодиться после поглощения комплекса и подвер-

болеваний SARS и COVID-19, по мнению многих

гается разрушению протеазами и РНКазами. Та-

авторов (см., например, работы [3, 18]), связана с

ким образом, комплекс вируса с нейтрализующи-

ADE, проявляющемся в инфекции макрофагов и

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

826

НЕЧИПУРЕНКО и др.

моноцитов. Эта инфекция является важным эта-

форма белка является слабо иммуногенной. При

пом в развитии болезни и ее эволюции от легкой

приближении к рецептору АСЕ2 домен RBD под-

формы до тяжелой с критическими симптомами.

нимается и связывается с ним, причем связыва-

ADE может объяснить наблюдаемое нарушение

ние это характеризуется более высокой констан-

регуляции иммунитета, включая апоптоз иммун-

той, чем для RBD-домена S-белка вируса SARS-

ных клеток, способствующий развитию Т-кле-

CoV-1. Как считается в работе

[27], для

точной лимфопении, воспалительный каскад с

вируса SARS-CoV-1 более характерна открытая

накоплением макрофагов, цитокинов и хемоки-

конформация RBD-домена, а для SARS-CoV-2 -

нов в легких, а также цитокиновый шторм у неко-

закрытая.

торых пациентов [19].

Таким образом, одна из субъединиц шиповид-

Механизм ADE был изучен на примере меня-

ного белка способна к значительным конформа-

ющихся иммунодоминантных антигенных детер-

ционным перестройкам и может существовать по

минант связывающего рецептор домена шипо-

меньшей мере в двух конформационных состоя-

видного (S) белка бета-коронавирусов [2, 9].

ниях (см. рис. 2). Заметим, что биофизическое

исследование S-белка SARS-CoV-2 и анализ его

структуры с разрешением в 3.5 Å показали, что

ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИПОВИДНЫХ

наиболее часто встречается белок, у которого две

БЕЛКОВ SARS-CoV-1 И SARS-CoV-2

из трех S1-субъединиц тримера находятся в за-

крытой конформации, а одна - в открытой [26], в

У коронавирусов в их «короне» располагается

то время как для SARS-CoV-1 ранее было показа-

шиповидный белок (S-белок). В этом белке есть

но, что чаще всего встречается белок, у которого

рецепторсвязывающий домен (RBD), который

две субъединицы тримера находятся в открытой

отвечает за связывание одного и того же мем-

конформации [28]. Если все три цепи эквива-

бранного клеточного рецептора ACE2 для обоих

лентны, возможны четыре разных конформации

вирусов и также является «входной дверью» в

тримера (если хотя бы одна из цепей отличается

клетку [20]. RBD-домен высокогомологичен у

от других, таких конформаций может быть во-

SARS-CoV-1 и SARS-CoV-2 [20].

семь). Также в работе [27] было показано, что для

S-белок может претерпевать в процессе своего

активации S-белка вируса SARS-CoV-2 нужно

созревания и функционирования ряд существен-

расщепление протеазой фурин в сайте разреза-

ных трансформаций, которые выражаются в кон-

ния, расположенном между субъединицами S1 и

формационных изменениях. Эти изменения у

S2. Расщепление может стабилизировать откры-

разных коронавирусов стали предметом изуче-

тую конформацию [27]. Если не все три цепи бу-

ния, которое продолжается уже более десяти лет.

дут расщеплены, то появляется еще одна возмож-

Превращения белка во время клеточного цикла

ность для разнообразия конформаций тримера.

вируса, включающего протеолитическое расщеп-

Однако разнообразие конформаций может не от-

ление участка между S1 и S2 субъединицами S-

ражаться в разнообразии антигенных детерми-

белка, образование комплекса RBD с рецептором

нант. Не исключено, что разницу в степени проч-

клетки, «протыкание» мембраны клетки эпите-

ности связывания с антителами обуславливают

лия при помощи пептида слияния (fusion peptide)

только две конформации S1 субъединицы одной

и, наконец, проникновение вируса в клетку при

молекулы S-белка, а именно открытая и

слиянии мембраны вируса и мембраны клетки

закрытая.

довольно подробно описаны в серии работ [21-

24]. Нас будут интересовать только некоторые

этапы функционирования S-белка у SARS-CoV-

ГИПОТЕЗЫ О ВЗАИМОСВЯЗИ

2, а именно протеолитический процессинг, свя-

МОЛЕКУЛЯРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

зывание с рецептором, а также связывание с ан-

ВИРУСА И ПАТОГЕНЕЗ ЗАБОЛЕВАНИЯ

тителами, которые могут быть подобны участку

Возможная связь между сменой конформаций в

рецептора. Эти этапы подробно описаны в рабо-

S-белке и антителозависимым усилением инфек-

тах [25, 26].

ции. Мы предполагаем, что антитела, выработан-

S-белок вируса SARS-CoV-2 функционирует в

ные на вариант вируса SARS-CoV-2 с одной кон-

виде тримера, он состоит из трех одинаковых мо-

формацией шиповидного (S) белка, могут утра-

лекул, которые кодируются одним и тем же ге-

тить свойство нейтрализовать инфекцию при

ном. Каждая из таких молекул распадается на две

смене конформации этого белка и, как следствие,

cубъединицы S1 и S2 [26]. Субъединица S1 может

вызывать ADE. Такие антитела, как было показа-

находиться в двух конформациях - открытой и

но для вируса SARS-CoV-1 [8], могут по-прежне-

закрытой: RBD-домен может быть поднят или

му связываться с вирусом, но при этом иметь

опущен. В работе [27] показано, что RBD-домен

меньшую аффинность и образовывать менее ста-

S-белка вируса SARS-CoV-2 большую часть вре-

бильные комплексы, чем те, которые они образу-

мени находится в закрытом состоянии. Такая

ют с S-белком в другой конформации. В результа-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

ИЗМЕНЕНИЕ АНТИГЕННЫХ ДЕТЕРМИНАНТ S-БЕЛКА

827

Рецепторсвязывающий

домен

Открытая

Закрытая

конформация

D614G

Трансмембранный домен

Цитоплазматический домен

Рис. 2. Субъединицы S-белка в двух конформациях. Каждая молекула белка состоит из двух субъединиц - S1 и S2.

Слева показана открытая конформация с поднятым рецепторсвязывающим доменом. Справа показана закрытая

конформация с опущенным рецепторсвязываюшим доменом; стрелкой указано положение 614-й аминокислоты.

Верхняя часть белка у вируса торчит наружу вириона и составляет вместе с другими S1-субъединицами из тримера S-

белка характерный шип - зубец короны вируса.

те комплекс «антитело-вирус» у SARS-CoV-1 мо-

клетки, функционально имитируя вирусспеци-

жет выступать в качестве «троянского коня»,

фические рецепторы. Авторы считают, что анти-

помогая вирусу проникнуть в моноциты или мак-

тела, направленные против других участков ши-

рофаги хозяина и запустить в этих клетках ин-

повидного (S) белка и не связанные с его конфор-

фекционный процесс [1, 8].

мационными изменениями, с меньшей

вероятностью будут приводить к ADE. Также по-

Замены аминокислот в районе RBD-домена

казана важность дозировки антител, так как сте-

способны вызывать конформационные измене-

пень ADE зависит от их концентрации.

ния S-белка у коронавируса SARS-CoV-1, приво-

дящие к худшему связывания рецептора [29]. Мы

По-видимому, должен существовать опреде-

предполагаем, что такого рода замены могут при-

ленный диапазон констант или энергий связыва-

водить у SARS-CoV-2 к ухудшению связыванию

ния, в области которого может возникать ADE.

как рецептора, так и антител - и, как следствие,

Если связывание между антителами и вирионом

вызывать ADE.

достаточно прочное, вирус не сможет «выскольз-

ADE описано в недавно опубликованной ра-

нуть» внутри лейкоцита и будет уничтожен. Если

боте для RBD-домена шиповидного (S) белка

связывание слишком слабое, то антитело не смо-

MERS-CoV [9]. Результаты этой работы свиде-

жет провести вирус в лейкоцит. ADE возникает,

тельствуют о том, что моноклональные нейтрали-

если связывание достаточно прочное, чтобы про-

зующие антитела, специфичные к RBD-домену,

вести вирус в лейкоцит, но недостаточно проч-

опосредуют проникновение вируса в иммунные

ное, чтобы лейкоцит мог его уничтожить. Заме-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

828

НЕЧИПУРЕНКО и др.

тим, что функционально похожие шиповидные

614 S-белка. В разных изолятах SARS-CoV-2 часто

белки существуют и у других вирусов, в частно-

наблюдаются замены в этой позиции: с аспараги-

сти, у вируса ВИЧ есть тример Env, который, по-

новой кислоты на глицин и наоборот (D614G)

добно S-белку коронавируса, состоит из двух

[34]. На рис. 2 мы указали положение 614-й ами-

субъединиц [30, 31]. Интересно, что описание их

нокислоты в трехмерной модели шиповидного

конформационных изменений не всегда произ-

(S) белка (см. также работу [26]). Следует заме-

водится посредством выделения отдельных ста-

тить, что аспарагиновая кислота находится здесь

дий или состояний белка, порой пишут о «пере-

на границе участков бета-структуры и левой спи-

ходных» состояниях и конформационной дина-

рали типа полипролин II (согласно классифика-

мике, которая как раз является решающей в

ции вторичных структур белков, построенной в

узнавании шиповидного белка рецептором или

работах [35, 36]). Хотя эта аминокислота находит-

антителом [32]. Поверхностная часть белка Env

ся на некотором расстоянии от домена RBD,

ВИЧ подобна субъединице S1 шиповидного бел-

можно предположить, что ее замена приведет к

ка короновируса. В процессе развития инфекции

изменению общей конформации S-белка и смене

ВИЧ эта часть шипа мутирует и меняет тропизм -

антигенных детерминант (как это наблюдается в

становится способной связываться с разными ре-

аллостерических белках) или к изменению дина-

цепторами иммунных клеток, что позволяет ви-

мики белка в целом.

русу ВИЧ их заражать. Примеры изучения шипо-

На вариабельность аминокислоты D614G в S-бел-

видных белков других вирусов, которое ведется

ке и ее возможную взаимосвязь с патогенезом

уже на протяжении десятилетий, может помочь

COVID-19 обратили внимание исследователи из

понять структуру и динамику конформационных

Лос Аламоса [34]. В работе [34] эти авторы выдвига-

превращений S-белка SARS-CoV-2 [30, 31].

ют две гипотезы. Согласно первой D614G затрагива-

Антигенные детерминанты S-белка изменяют-

ет иммуногенный эпитоп вируса. Таким образом,

ся при смене одной его конформации на другую

замена может придавать коронавирусу устойчивость

[27]. Не исключено, что нейтрализующие антите-

против приобретенного иммунитета, помогая

ла хозяина, выработанные на S-белок в одной

ускользнуть от нейтрализующих антител и умень-

конформации, могут в этом случае утрачивать

шить прочность комплекса антитело-вирус. Вторая

аффинность к вирусу в другой конформации и

гипотеза предполагает, что мутация затрагивает дру-

начинать образовывать с ним менее совершенные

гой эпитоп, вовлеченный в ADE. В этом случае

и нестабильные комплексы. Мы предполагаем,

D614G модулирует ADE [34]. Наше предположение

что это может приводить к ADE. Есть данные в

больше согласуется со второй гипотезой вышеупо-

пользу того, что только вирус в открытой конфор-

мянутых авторов и добавляет шаг в их логическом

мации (с открытым RBD-доменом) в основном

построении гипотетической взаимосвязи между за-

провоцирует выработку нейтрализующих антител

меной аминокислоты и биологическими послед-

[27]. В этой же работе высказывается предполо-

ствиями для здоровья больных. Исследователи из

жение, что для вируса SARS-CoV-2 более харак-

Лос Аламоса предлагают следующую взаимосвязь:

терна закрытая конформация S-белка, в то время

смена D614G→ ADE. Мы можем добавить к этому

как вирусу SARS-CoV-1 свойственна открытая

предположению следующее: смена D614G→ изме-

конформация. В то же время стоит отметить,

нение конформационной структуры и динамики

что реальное внутриклеточное распределение за-

S-белка→ ADE.

крытых и открытых конформаций S-белков

Не исключено, что такого рода замена амино-

SARS-CoV-1 и SARS-CoV-2 требует дальнейшего

кислоты с одной на другую может приводить к

изучения.

улучшенному или, наоборот, затрудненному до-

Если вирус с открытой формой S-белка быстро

ступу протеаз к участкам протеолитического про-

элиминируется антителами, то вирус с закрытой

цессирования S-белка. Некоторые исследователи

формой хуже связывается с антителами, но, со-

полагают, что эффективное разрезание фурином

гласно нашей гипотезе, может провоцировать

между S1- и S2-субъединицами может способ-

ADE, вызывая инфекцию моноцитов, макрофа-

ствовать преобладанию открытой конформации

гов и дендритных клеток.

S-белка [27]. Таким образом, модулируя доступ

протеазы, аминокислота в определенной пози-

Возможная взаимосвязь между заменой амино-

ции S-белка может способствовать преобладанию

кислоты D614G и антителозависимым усилением

в равновесии открытой или закрытой конфор-

инфекции. Предполагается, что иммунодоми-

мации.

нантные эпитопы в шиповидном (S) белке вируса

SARS-CoV-2 формируют аминокислоты в после-

Квазивиды могут обеспечивать адаптивное гене-

довательности белка с координатами от 441 до 700

тическое разнообразие вирусных вариантов и его

[33]. За переключение антигенной детерминанты

антигенных детерминант, помогающее уходить от

с одного типа на другой в шиповидном белке мо-

иммунонадзора. При заражении нового хозяина

жет быть ответственна аминокислота в позиции

реально происходит инфекция не одним вариан-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

ИЗМЕНЕНИЕ АНТИГЕННЫХ ДЕТЕРМИНАНТ S-БЕЛКА

829

Открытая конформация

Эффективная нейтрализация

Выздоровление

вирусного S-белка

вируса антителами

Рецепторсвязывающий

Выработка

домен поднят

антител

Стабильный

комплекс

Уничтожение

S-белок

«вирус-

вируса

антитело»

Конформационное

изменение

S-белка

Закрытая конформация S-белка

Антитело-зависимое

Цитокиновый шторм

усиление инфекции

Выработанные антитела

стали хуже узнавать

эпитоп -белка

Нестабильный

Инфекция

комплекс

иммунных

«вирус-

клеток

S-белок

антитело»

Комплекс «вирус-антитело» благодаря

FcγRII-

FcγRII-рецептор

рецептору входит в

-лейкоциты, включая

CD32+

моноциты, макрофаги и дендритные клетки

Рис. 3. Схема, иллюстрирующая гипотезу о взаимосвязи молекулярных характеристик S-белка и патофизиологии

заболевания COVID-19

том вируса, а целой популяцией генетически

тяжелой форме при COVID-19 у пожилых людей.

близкородственных вариантов, возникающих в

Не исключено, что с возрастом происходит имму-

результате мутаций в ходе репликации вируса в

ностарение. В результате этого явления выработ-

организме предыдущих хозяев [37]. Такая попу-

ка антител у пожилых идет медленнее, чем у мо-

ляция получила название квазивида. Концепция

лодых. К тому времени, когда антитела выработа-

квазивидов по отношению к вирусным вариан-

лись в нужном для нейтрализации вируса титре к

там очень важна, поскольку она помогает понять,

вирусу с открытой конформацией S-белка, вирус

что для ускользания от иммунитета нового вирус-

с закрытой конформацией S-белка может дать о

ного хозяина за счет смены антигенных детерми-

себе знать. При этом он может составлять только

нант вирусу вовсе не обязательно приобретать

малую часть вирусной нагрузки при начальном

новые мутации, он может воспользоваться уже

заражении. Однако нейтрализующие антитела к

существующими, которые произошли при репли-

открытой конформации S-белка, достигнув вы-

кации у предыдущих хозяев. Например, некото-

сокой концентрации, начнут находить этот вирус

рые варианты вирусных квазивидов могут иметь

с закрытой конформацией S-белка и образовы-

преимущественно открытую конформацию S-

вать с ним нестабильные комплексы. При этом

белка и легко нейтрализоваться антителами ново-

они могут «затаскивать» вирус в моноциты или

го хозяина, а другие варианты вируса с закрытой

макрофаги, где вирус будет способен реплициро-

конформацией и худшей аффинностью к антите-

ваться. Этот процесс может сопровождаться гене-

лам могут получить эволюционное преимущество

рализованным развитием инфекции и цитокино-

после неполноценной нейтрализации и инфек-

вым штормом [38, 39].

ции иммунных клеток.

В пользу такой гипотезы говорит тот факт, что

Возможное объяснение более частого протека-

количество IgG-антител к S-белку вируса SARS-

ния тяжелой формы заболевания у пожилых людей.

CoV-2, обнаруженных в сыворотке 29 госпитали-

С феноменом ADE связано несколько гипотез,

зированных и протестированных пациентов, ли-

объясняющих протекание заболевания в более

нейно коррелировало с возрастом больных, и чем

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

830

НЕЧИПУРЕНКО и др.

выше был титр таких антител, тем тяжелее проте-

дать. Из литературы мы знаем, что в геном вируса

кала болезнь [40, 41]. Кроме того, обнаружена по-

SARS-CoV-1 могут быть внесены мутации, кото-

ложительная и значимая корреляция между ко-

рые стабилизируют определенную конформацию

личеством антител в крови и концентрацией мар-

S-белка [28]. Не исключено, что возможен и про-

кера воспаления цитореактивного белка C [41].

тивоположный сценарий, а именно: некоторые

Гипотеза о взаимосвязи между антигенным дрей-

аминокислоты за счет антигенного дрейфа, меня-

фом и антителозависимым усилением инфекции. Не

ясь в определенных позициях S-белка, могут

исключено, что ADE может быть обусловлено ан-

сдвигать равновесие, делая закрытую конформа-

тигенным дрейфом, происходящим за счет мута-

цию S-белка термодинамически более выгодной

ций кодирующего S-белок гена [19, 42], которые

и преобладающей. Каждая такая замена будет

могут приводить к изменению как конформаци-

приводить к сменам антигенных детерминант, за

онных, так и линейных антигенных детерминант.

которым может следовать ADE.

Тщательный анализ изменчивости аминокислот

Скорее всего вирус с преобладающей закры-

в разных белках вируса SARS-CoV-2 в массиве

той конформацией S-белка будет являться мало

данных, состоящем из нескольких тысяч после-

инфекционным для своих традиционных клеток-

довательностей, был проведен в работе [19]. Была

мишеней за счет низкого сродства к рецептору

обнаружена взаимосвязь между вариабельностью

АСЕ2. Однако можно предположить, что такой

аминокислот и их пространственным расположе-

вирус может стать более инфекционным по отно-

нием на поверхностных антигенных детерминан-

шению к иммунным клеткам.

тах вируса. Более доступная для антител часть мо-

лекулы S-белка, а именно S1-субъединица, вклю-

чающая RBD-домен, имеет большее количество

ВЫВОД ДЛЯ ДИЗАЙНА ВАКЦИНЫ

вариабельных амнокислот [19, 43], в то время как

белки, скрытые внутри вирусной капсиды, или

Если наша гипотеза о том, что вариации анти-

белки, не попадающие в вирусную капсиду, со-

генных детерминант S-белка вируса SARS-CoV-2

стоят из более консервативных аминокислот [19].

могут вызывать антителозависимое усиление ин-

Авторы работы [19] объясняют эту изменчивость

фекции и, как следствие, тяжелое течение болез-

антигенным дрейфом. Вирус меняет аминокис-

ни COVID-19 верна, то она может быть полезна

лоты, чтобы изменить антигенные эпитопы и

для дизайна противовирусной вакцины. Не ис-

ускользнуть от нейтрализующих антител хозяев.

ключено, что вакцина, нацеленная на вирусы с

Такой процесс ускользания, как уже было сказа-

открытой формой S-белка, также может прово-

но выше, может сопровождаться ADE.

цировать ADE при появлении в организме чело-

века вируса с закрытой формой этого белка. За-

Не исключено, что на вариабельность анти-

крытая форма может появиться в результате есте-

генных детерминант и на способность менять ан-

ственной инфекции вариантами вируса, у

тигенные детерминанты влияет гликозилирова-

которого эта форма может быть стабилизирована

ние аминокислотных остатков, которое происхо-

генетически. Именно такую вакцину, нацелен-

дит в S-белке SARS-CoV-2. У этого белка

ную исключительно на открытую форму S-белка,

обнаружены 22 сайта гликозилирования [25].

испытывает компания «Модерна» (Moderna Inc.,

Идея о том, что вирус использует вариабельные

Кембридж, США) и многие другие разработчики

аминокислоты, конформационные изменения S-

вакцин (см. [19]).

белка и гликановую защиту для ускользания ан-

тител не нова (см. работы [19, 25]). Мы добавляем

Мы полагаем, что такая вакцина, как и другие

к этой идее то, что одним из следствий ускольза-

вакцины, нацеленные на S1-субъединицу шипо-

ния от антител может являться ADE.

видного белка, могут провоцировать ADE. Это

Согласно предлагаемой гипотезе нейтрализу-

явление с большей вероятностью может про-

ющие антитела, выработанные на одну из «от-

явиться при встрече провакцинированного виру-

крытых форм» S-белка, могут способствовать

сом или генетическим конструктом, экспресси-

ADE при встрече с закрытой конформацией. Ка-

рующим S-белок с преобладающей открытой

ково соотношение между полностью открытой,

формой, с реальной инфекцией вирусом, у кото-

полностью закрытой и промежуточными кон-

рого преобладает закрытая конформация S-бел-

формациями S-белка в организме инфицируемо-

ка. Если наша гипотеза верна, то для общего ре-

го? Этот вопрос изучен недостаточно хорошо. Не

шения проблемы очень важно, чтобы вакцина не

исключено, что некоторые аминокислоты за счет

была нацелена на RBD-домен и на S1-субъедини-

антигенного дрейфа, меняясь в определенных по-

цу в целом. У вакцины будет меньше шансов

зициях S-белка, как говорилось выше, могут

спровоцировать ADE, если она будет нацелена на

сдвигать равновесие таким образом, что полно-

S2-субъединицу S-белка или другие консерватив-

стью открытая конформация будет становиться

ные антигенные детерминанты вирусных белков

термодинамически более выгодной и преобла-

(см. работу [43]).

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

ИЗМЕНЕНИЕ АНТИГЕННЫХ ДЕТЕРМИНАНТ S-БЕЛКА

831

БЛАГОДАРНОСТИ

14. A. Takada and Y. Kawaoka, Rev. Med. Virol. 13 (6),

387 (2003).

Авторы считают своим приятным долгом по-

благодарить А.Н. Взорова, Г.В. Кочневу, А.А. Ад-

15. M. Merad and J. C. Martin, Nat. Rev. Immunol. 20,

жубея, Д.В. Купраша, Н.Г. Есипову и М.В. Су-

355 (2020).

потницкого за полезные обсуждения.

16. J. A. Tetro, Microbes. Infect. 22 (2), 72 (2020).

17. D. O. Ricke and R. W. Malone, Lancet (preprint)

(2020). DOI: 10.2139/ssrn.3546070

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

18. M. Yuan, N. C. Wu, X. Zhu, et al., Science (2020).

Работа выполнена при финансовой поддержке

DOI: 10.1126/science.abb7269

Программы фундаментальных исследований го-

сударственных академий наук на 2013-2020 годы

19. B. Tripet, M. W. Howard, M. Jobling, et al., J. Biol.

(тема № 01201363818) и Российского фонда фун-

Chem. 279 (20), 20836 (2004).

даментальных исследований (грант № 20-04-

20. S. Matsuyama and F. Taguchi, J. Virol. 83 (21), 11133

01085).

(2009).

21. F. Li, M. Berardi, W. Li, et al., J. Virol. 80 (14), 6794

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

(2006).

22. A. C. Walls, M. A. Tortorici, J. Snijder, et al., Proc.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

Natl. Acad. Sci. USA 114 (42), 11157 (2017).

интересов.

23. A. C. Walls, Y. J. Park, M. A. Tortorici, et al., Cell 181

(2), 281 (2020).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

24. D. Wrapp, N. Wang, K. S. Corbett, et al., Science 367

Настоящая работа не содержит описания соб-

(6483), 1260 (2020).

ственных исследований с использованием людей

25. J. Shang, Yu. Wan, Ch. Luo, et al., Proc. Natl. Acad.

и животных в качестве объектов.

Sci. USA 117 (21), 11727 (2020).

26. R. N. Kirchdoerfer, N. Wang, J. Pallesen, et al., Sci.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Rep. 8 (1), 15701 (2018).

1. M. S. Yip, H. L. Leung, P. H. Li, et al., Hong Kong

27. Y. Jia, G. Shen, Yu. Zhang, et al., BioRxiv (2020).

Med. J. 22 (3, Suppl. 4), 25 (2016).

DOI: 10.1101/2020.04.09.034942

2. Q. Wang, L. Zhang, K. Kuwahara, et al., ACS Infect.

28. A. Merk and S. Subramaniam, Curr. Opin. Struct. Biol.

Dis. 2 (5), 361 (2016).

23 (2), 268 (2013).

3. A. Iwasaki and Y. Yang, Nat. Rev. Immunol. 20, 339

29. A. Bartesaghi, A. Merk, M. J. Borgnia, et al., Nat.

(2020).

Struct. Mol. Biol. 20 (12), 1352 (2013).

4. L. Liu, Q. Wei, Q. Lin, et al., JCI Insight 4 (4), e123158

30. J. B. Munro, J. Gorman, X. Ma, et al., Science 346

(2019).

(6210), 759 (2014).

5. А. Н. Миронов, М. В. Супотницкий и Е. В. Лебе-

31. L. Lu, I. Manopo, B. P. Leung, et al., J. Clin. Microbi-

динская, Биопрепараты: профилактика, диагно-

ol. 42 (4), 1570 (2004).

стика, лечение, № 3, 13 (2013).

32. B. Korber, W. M. Fischer, S. Gnanakaran, et al.,

6. S. M. Tirado and K. J. Yoon, Viral Immunol. 16 (1), 69

BioRxiv (2020). DOI: 10.1101/2020.04.29.069054

(2003).

33. A. A. Adzhubei, F. Eisenmenger, V. G. Tumanyan,

7. M. Jaume, M. S. Yip, Y. W. Kam, et al., Virol. J. 11, 82

et al., Biochem. Biophys. Res. Commun. 146 (3), 934

(2014).

(1987).

8. Y. Wan, J. Shang, S. Sun, et al., J. Virol. 94, e02015

34. A. A. Adzhubei and M. J. Sternberg, J. Mol. Biol. 229

(2020).

(2), 472 (1993).

9. L. Li, J. Wo, J. Shao, et al., Virus Res. 107 (1), 93

35. I. N. Lu, C. P. Muller, and F. Q. He, Virus Res. 283,

(2005).

197963 (2020). DOI: 10.1016/j.virusres.2020.197963

10. М. В. Супотницкий, Слепые пятна вакцинологии

36. . J. Gu and C. R. Taylor, Appl. Immunohistochem.

(Русская панорама, М., 2016).

Mol. Morphol. 11 (4), 281 (2003).

11. М. В. Супотницкий, Актуальная инфектология,

37. J. Gu, E. Gong, B. Zhang, et al., J. Exp. Med. 202 (3),

№ 2 (11), 73 (2016).

415 (2005).

12. 14. X. Wang, W. Xu, G. Hu, et al., Cell. Mol. Immunol.

38. J. Zhao, Q. Yuan, H. Wang, et al., Clin. Infect. Dis.

(2020). DOI: 10.1038/s41423-020-0424-9

(2020). DOI: 10.1093/cid/ciaa344

13. C. Bosteels, K. Neyt, M. Vanheerswynghels, et al., Im-

39. F. Wu, A. Wang, M. Liu, et al., MedRxiv (2020). DOI:

munity 52 (2020). DOI: 10.1016/j.immuni.2020.04.005

10.1101/2020.03.30.20047365

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

832

НЕЧИПУРЕНКО и др.

40. H. Yao, X. Lu, Q. Chen, et al., MedRxiv (2020). DOI:

42. M. Jaume, M. S. Yip, C. Y. Cheung, et al., J. Virol. 85

10.1101/2020.04.14.20060160

(20), 10582 (2011).

41. J. Ou; Z. Zhou, R. Dai, et al., BioRxiv (2020). DOI:

43. Т. А. Зайчук и др., Молекуляр. биология 54 (2020)

10.1101/2020.03.15.991844

(в печати).

Change of Antigenic Determinants of SARS-CoV-2 Virus S-Protein as a Possible Cause

of Antibody-Dependent Enhancement of Virus Infection and Cytokine Storm

Yu.D. Nechipurenko*, A.A. Anashkina*, and O.V. Matveeva**^, ***

*Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, ul. Vavilova 32, Moscow, 119991 Russia

**Sendai Viralytics LLC, Acton, MA 01720, USA

***Biopolymer Design LLC, Acton, MA 01721, USA

A hypothesis is proposed that the cytokine storm syndrome, which complicates COVID-19 disease in some

patients, is a consequence of antibody-dependent enhancement of viral infection. This enhancement, in turn,

according to our hypothesis, caused by changes of S-protein dominant antigenic determinants. Antibody-de-

pendent enhancement of viral infection is a phenomenon in which the binding of the virus to suboptimal an-

tibodies that are not neutralizing, induces the penetration of the virus into the cells of the immune system,

which leads to their mass death. Antibody-dependent enhancement in these cases can be triggered by a

change in the antigenic determinants of the S-protein. According to our hypothesis, such a change can lead

to a decrease in the binding affinity of neutralizing antibodies to the virus, turning them into suboptimal -

not neutralizing ones. The variability of linear and/or conformational antigenic determinants of the S-protein

can be a result of some changes in its conformation and substitutions of several amino acids in its sequence.

This variability is a consequence of the genetic diversity of quasi-species. According to our hypothesis such

variability of amino acids can cause not only structural changes in the S-protein, but also affect the dynamics

of its conformational changes. If all these phenomena can occur during the SARS-CoV-2 viral infection they

can explain the severe course of the disease in some infected individuals.

Keywords: COVID-19, coronavirus, SARS-CoV-2, antigen-dependent enhancement of infection, ADE, spike pro-

tein, S-protein, change in conformations, antigenic determinants, variation in epitopes

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020