Host cell entry and antibody evasion of SARS-CoV-2 and animal sarbecoviruses

by Lu Zhang
Cumulative thesis
Date of Examination:2024-10-22
Date of issue:2024-11-29
Advisor:Prof. Dr. Stefan Pöhlmann
Referee:Prof. Dr. Lutz Walter
Referee:Dr. Alexander Hahn
Referee:Prof. Dr. Rüdiger Behr
Referee:PD Dr. Michael Winkler
Referee:Dr. Christian Roos
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10880

 

 

Files in this item

Name:Lu Zhang_Dissertation.pdf
Size:45.5Mb
Format:PDF

The following license files are associated with this item:

Abstract

English

The emergence of SARS-CoV-2 has heightened global awareness of coronaviruses, following previous outbreaks of SARS-CoV and MERS-CoV, which originated in animals and were transmitted to humans, causing severe disease. SARS-CoV-2 likely also has a zoonotic origin and many SARS-CoV-2-related viruses (sarbecoviruses) have been identified in bats. The spike (S) protein of coronaviruses facilitates viral entry into cells. For this, the SARS-CoV-2 S protein binds to the cellular receptor ACE2 and employs the cellular proteases TMPRSS2 or cathepsin L for activation. However, it was poorly understood whether the S proteins of animal sarbecoviruses can also mediate entry into human cells and whether entry depends on ACE2 and TMPRSS2 or cathepsin L. Furthermore, the S protein is the central target of neutralizing antibodies and can rapidly evolves in response to antibody pressure, resulting in the constant emergence of SARS-CoV-2 variants. In the present thesis, it was addressed whether and how animal sarbecoviruses can enter human cells and it was determined to what extend novel SARS-CoV-2 variants evade antibodies and exhibit altered cell entry pathways. The study shows that several animal sarbecoviruses can use human and animal orthologues of ACE2 for cell entry, suggesting zoonotic potential. However, some viruses failed to use ACE2 but were dependent on trypsin for entry into human cells, indicating a novel entry pathway. Furthermore, cellular serine proteases other than trypsin were identified that facilitated entry and trypsin was found to cleave the S protein at the receptor binding domain. Further, evidence was obtained that trypsin treatment can skew ACE2-dependent sarbecoviruses towards entry via the ACE2-independent pathway and that usage of this pathway reduces susceptibility to antibody-mediated neutralization. Finally, it was discovered that entry driven by all sarbecovirus S proteins under study could be inhibited by antibodies induced upon COVID-19 vaccination, indicating that vaccination might offer some protection against animal sarbecoviruses. Regarding the emergence of new SARS-CoV-2 variants, it was discovered that EG.5.1 efficiently evades antibody responses while BA.2.86 is relatively susceptible to antibody-mediated neutralization. However, unlike previous Omicron variants, BA.2.86 had acquired the ability to efficiently enter lung cells, a prerequisite to causing severe disease, and lung cell entry was TMPRSS2 dependent. Collectively, evidence for an ACE2-independent, trypsin-dependent entry pathway was obtained that is exploited by certain animal sarbecoviruses for cell entry and that is associated with protection from antibody-mediated neutralization. Furthermore, it was discovered that emerging SARS-CoV-2 variants can “reacquire” traits of virulence that were lost during SARS-CoV-2 evolution.
Keywords: SARS-CoV-2; Cell entry; ACE2 usage; Trypsin; Animal sarbecovirus; Neutralization

German

Das Auftreten von SARS-CoV-2 hat das globale Bewusstsein für Coronaviren weiter geschärft, nachdem frühere Ausbrüche von SARS-CoV und MERS-CoV, die von Tieren auf den Menschen übertragen wurden und schwere Krankheiten verursachten, bereits für Aufmerksamkeit sorgten. SARS-CoV-2 hat vermutlich ebenfalls einen zoonotischen Ursprung, und viele SARS-CoV-2-verwandte Viren (Sarbecoviren) wurden in Fledermäusen identifiziert. Das Spike-(S)-Protein von Coronaviren vermittelt den Eintritt der Viren in Zellen. Dafür bindet das SARS-CoV-2 S-Protein an den zellulären Rezeptor ACE2 und nutzt die zellulären Proteasen TMPRSS2 oder Cathepsin L zur Aktivierung. Es war jedoch unklar, ob die S-Proteine von tierischen Sarbecoviren ebenfalls den Eintritt in menschliche Zellen vermitteln können und ob der Eintritt von ACE2 und TMPRSS2 oder Cathepsin L abhängt. Darüber hinaus ist das S-Protein das zentrale Ziel neutralisierender Antikörper und entwickelt sich rasch unter Antikörperdruck weiter, was zur ständigen Entstehung neuer SARS-CoV-2-Varianten führt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob und wie tierische Sarbecoviren in menschliche Zellen eindringen können und inwieweit neue SARS-CoV-2-Varianten Antikörpern entkommen und veränderte Eintrittswege in Zellen aufweisen. Die Studie zeigt, dass mehrere tierische Sarbecoviren menschliche und tierische Orthologe von ACE2 für den Zelleintritt nutzen können, was auf zoonotisches Potenzial hinweist. Einige Viren konnten jedoch ACE2 nicht nutzen, waren aber für den Eintritt in menschliche Zellen auf Trypsin angewiesen, was auf einen neuartigen Eintrittsweg hinweist. Darüber hinaus wurden neben Trypsin weitere zelluläre Serinproteasen identifiziert, die den Eintritt verstärken, und es wurde festgestellt, dass Trypsin das S-Protein in der Rezeptorbindungsdomäne spaltet. Es wurde zudem nachgewiesen, dass die Behandlung mit Trypsin ACE2-abhängige S-Proteine in Richtung eines ACE2-unabhängigen Eintrittsweges lenken kann und dass die Nutzung dieses Weges die Empfindlichkeit gegenüber einer Antikörper-vermittelten Neutralisation verringert. Schließlich wurde entdeckt, dass der S Protein-vermittelte Zelleintritt aller untersuchten Sarbecovirus-S-Proteine durch Antikörper, die durch einer COVID-19-Impfung induziert wurden, gehemmt werden konnte. Das deutet darauf hin, dass eine Impfung möglicherweise einen gewissen Schutz gegen tierische Sarbecoviren bietet. Hinsichtlich der Entstehung neuer SARS-CoV-2-Varianten wurde festgestellt, dass EG.5.1 den Antikörperantworten effizient entgeht, während BA.2.86 relativ empfindlich gegenüber einer Antikörper-vermittelten Neutralisation ist. Im Gegensatz zu früheren Varianten hatte BA.2.86 jedoch die Fähigkeit erworben, effizient in Lungenzellen einzudringen, was eine Voraussetzung für das Verursachen 7 schwerer Krankheiten darstellt, und der Eintritt in Lungenzellen war TMPRSS2-abhängig. Zusammenfassend wurden Belege für einen ACE2-unabhängigen, trypsinabhängigen Eintrittsweg erbracht, der von bestimmten tierischen Sarbecoviren für den Zelleintritt genutzt wird und der mit einem Schutz vor Antikörper-vermittelter Neutralisation verbunden ist. Darüber hinaus wurde entdeckt, dass aufkommende SARS-CoV-2-Varianten Virulenz-Marker „zurückgewinnen“ können, die während der Evolution von SARS-CoV-2 verloren gegangen waren.
 
Statistik