TMPRSS2 reduces antibody recognition of SARS-CoV-2 spike

Dit onderzoek toont aan dat de protease TMPRSS2 de antilichaamherkenning van het SARS-CoV-2-spike-eiwit vermindert door de S1-subunit gedeeltelijk af te splitsen en de S2-conformatie te veranderen, waardoor het virus minder vatbaar wordt voor het immuunsysteem terwijl de cel-celfusie wordt bevorderd.

De kern

De Hoofdrol: Het Virus en de Sleutel

Stel je het SARS-CoV-2-virus voor als een inbreker die een huis (onze cellen) wil binnenbreken. De Spike-eiwitten (de stekels op het virus) zijn de sleutels die hij gebruikt om de deur te openen.

Normaal gesproken heeft de inbreker een speciale slijpmachine nodig om zijn sleutel scherp te maken voordat hij de deur kan openen. In ons lichaam is deze slijpmachine een eiwit dat TMPRSS2 heet. Zonder deze slijpmachine kan het virus de cel niet binnendringen.

Het Nieuwe Ontdekking: De Slijpmachine is ook een Camouflagepak

Tot nu toe dachten wetenschappers dat TMPRSS2 alleen maar nuttig was voor het virus: het maakt de sleutel scherp zodat het virus binnenkomt. Maar dit nieuwe onderzoek uit het Institut Pasteur ontdekt een verrassende tweede functie.

Het onderzoek laat zien dat TMPRSS2 niet alleen de sleutel slijpt, maar ook verandert. Het maakt de sleutel zo anders, dat de politie (ons afweersysteem) hem niet meer herkent.

Hier is hoe het werkt, stap voor stap:

1. De "Verkleurde" Sleutel
Ons lichaam maakt antilichamen (zoals politiemensen) die de virus-sleutels herkennen en vastgrijpen om ze onschadelijk te maken.

• Zonder TMPRSS2: De sleutel ziet eruit zoals op de foto's in het politiedossier. De antilichamen grijpen hem stevig vast.
• Met TMPRSS2: De slijpmachine knipt een stukje van de sleutel af en verandert de vorm. De sleutel ziet er nu anders uit. De antilichamen kijken er naar, maar denken: "Hé, dit is niet de sleutel die ik zoek!" en laten hem los.

2. Het Verlies van de "Schaal" (S1)
Het Spike-eiwit bestaat uit twee delen: een buitenkant (S1) en een binnenkant (S2).

• TMPRSS2 knipt de buitenkant (S1) los. Dit is als een inbreker die zijn jas uittrekt.
• De antilichamen die zich op de buitenkant richtten, vinden nu niets meer om vast te houden.
• Maar het ergste is: TMPRSS2 verandert ook de vorm van de binnenkant (S2). Dit is het deel dat de deur echt opent. De wetenschappers ontdekten dat de antilichamen die juist op dit binnenste deel gericht waren, nu het minst effectief waren. Het virus heeft zijn "binnenkant" zo verdraaid dat de politie hem niet kan vangen.

3. De "Valse Vriend" (ADCC)
Ons afweersysteem heeft ook een tweede wapen: het kan besmette cellen markeren zodat andere cellen ze vernietigen (zoals een "verbrand het huis" signaal).

• Omdat TMPRSS2 de virus-sleutel zo goed verbergt, zien de cellen van het afweersysteem de besmette cellen niet meer.
• Het virus kan dus rustig doorgaan met het besmetten van buren, terwijl de "politie" denkt dat er niets aan de hand is.

Een Belangrijk Nuance: Het Virusdeeltje zelf

Het onderzoek maakt een belangrijk onderscheid:

• Op besmette cellen: Hier werkt TMPRSS2 perfect als camouflage. De cellen die al besmet zijn, worden door het afweersysteem slechter gezien.
• Op het virusdeeltje zelf: Als het virus al uit de cel is gekomen en rondzweeft, heeft TMPRSS2 veel minder invloed. De antilichamen kunnen de virusdeeltjes in de lucht of bloed nog steeds redelijk goed herkennen.

Waarom is dit belangrijk?

Dit onderzoek vertelt ons iets heel belangrijks over hoe het virus zich verdedigt. Het gebruikt onze eigen lichaamscellen (de slijpmachine TMPRSS2) om zich te vermommen.

• Voor de toekomst: Het betekent dat medicijnen die TMPRSS2 blokkeren (zoals Camostat), misschien niet alleen de ingang van het virus dichtdoen, maar ook helpen om de "camouflage" van het virus te doorbreken.
• Vaccins: Het suggereert dat we misschien vaccins nodig hebben die niet alleen kijken naar de buitenkant van de sleutel, maar ook naar de binnenkant die minder snel verandert, zodat we het virus kunnen vangen, zelfs als het zijn jas uittrekt.

Kort samengevat:
TMPRSS2 is als een slimme inbreker die niet alleen zijn sleutel slijpt om de deur open te krijgen, maar die ook zijn kleding verandert zodat de politie hem niet meer herkent. Hierdoor kan het virus zich beter verstoppen in de cellen die het al heeft binnengekregen.

Technische samenvatting

Probleemstelling

De spike-eiwit (S) van SARS-CoV-2 is de primaire doelwit voor het immuunsysteem en het doelwit van neutraliserende antilichamen. De celprotease TMPRSS2 is bekend als een essentiële cofactor voor de virale invoer; deze protease knipt het spike-eiwit om de fusie van het virus met de celmembraan mogelijk te maken. Echter, de impact van TMPRSS2-activiteit op de herkenning van het spike-eiwit door het humorele immuunsysteem (antilichamen) op besmette cellen was tot nu toe slecht gekarakteriseerd. De auteurs stellen de hypothese dat de proteolytische verwerking van S door TMPRSS2 de conformatie van het eiwit verandert, wat mogelijk leidt tot een verminderde binding van antilichamen en een verhoogde immuunontwijking.

Methodologie

De studie gebruikte een breed scala aan experimentele benaderingen om de interactie tussen TMPRSS2, het spike-eiwit en antilichamen te analyseren:

• Celmodellen: Er werden verschillende cel lijnen gebruikt, waaronder HEK293T-cellen (stabiliserend voor S), Caco2-cellen (epitheel), IGROV-1-cellen (overexpressie van TMPRSS2), en primaire menselijke neusepitheelcellen (hNEC-ALI) als fysiologisch model.
• Genetische manipulatie: Transfectie van TMPRSS2 (wildtype en het katalytisch inactieve mutant S441A) in S-expresserende cellen. Ook werden SARS-CoV-2-varianten (van D614G tot KP.3.1.1) en andere coronavirussen (229E, RaTG13, BANAL 20-236) getest.
• Proteaseremmers: Behandeling met Camostat (een serineproteaseremmer) om de enzymatische activiteit van TMPRSS2 te blokkeren.
• Antilichaampanel: Een panel van 39 monoklonale antilichamen (mAbs) die verschillende regio's van het spike-eiwit richten (RBD, NTD, S2, fusiepeptide) en sera van individuen met hybride immuniteit (infectie gevolgd door vaccinatie).
• Analysetechnieken:
  • Flowcytometrie: Om de binding van mAbs en sera aan S op het celoppervlak te kwantificeren.
  • ADCC-assay: Gebruik van CD16-reporter Jurkat-cellen om antilichaam-afhankelijke cel-gemedieerde cytotoxiciteit te meten.
  • ELISA: Om de hoeveelheid opgelost S1-eiwit in supernatanten te meten (shedding).
  • Fusie-assays: Een donor-acceptor GFP-splitsassay om cel-cel fusie (syncytia) te kwantificeren.
  • Flow virometrie: Om de binding van antilichamen aan geïsoleerde virale deeltjes te analyseren.
  • ACE2-binding: Meting van de interactie tussen S en het menselijke receptor ACE2.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

1. TMPRSS2 vermindert antilichaambinding op besmette cellen:
   De expressie van TMPRSS2 op het oppervlak van S-expresserende cellen leidde tot een significante afname (tot 73%) in de binding van monoklonale antilichamen. Dit effect was afhankelijk van de katalytische activiteit van TMPRSS2 (inactief mutant had geen effect) en kon worden omgekeerd door Camostat-behandeling.

2. Epitop-specifieke gevoeligheid:
   Niet alle antilichamen werden even sterk beïnvloed. Antilichamen die gericht zijn tegen de S2-subunit (inclusief het fusiepeptide en heptad repeat 2) vertoonden de grootste afname in binding. Antilichamen tegen de RBD en NTD waren minder gevoelig, hoewel ook hier een afname werd waargenomen. Dit suggereert dat TMPRSS2 de S2-conformatie specifiek verandert.

3. Mechanisme: Conformatieverandering en S1-shedding:

   • TMPRSS2 veroorzaakte een gedeeltelijke "shedding" (afstoting) van de S1-subunit, wat werd bevestigd door verhoogde niveaus van opgelost S1 in het supernatant.
   • Ondanks de afname in ACE2-binding (door S1-verlies), verhoogde TMPRSS2 de cel-cel fusie (syncytia-vorming). Dit impliceert dat TMPRSS2 S naar een fusie-intermediaire conformatie stuurt die minder toegankelijk is voor antilichamen, maar wel functioneel is voor fusie.
   • De afname in antilichaambinding kon niet volledig worden verklaard door een verlies van S-oppervlakte, maar eerder door een structurele herschikking.

4. Conservatie en Breedte:
   Het vermogen van TMPRSS2 om antilichaamherkenning te verminderen, werd waargenomen bij diverse SARS-CoV-2-varianten (van D614G tot de nieuwste Omicron-varianten) en bij andere coronavirussen (zoals 229E en RaTG13). Ook andere leden van de TMPRSS-familie (zoals TMPRSS4, 11D, 11E) deelden dit vermogen.

5. Impact op ADCC:
   De verminderde binding van polyclonale sera (van individuen met hybride immuniteit) aan TMPRSS2-positieve cellen resulteerde in een significante daling van de ADCC-activatie (ongeveer 30% reductie). Dit suggereert dat TMPRSS2 de efficiëntie van Fc-gemedieerde immuunresponsen tegen besmette cellen ondermijnt.

6. Verschil tussen cel-gebonden S en virale deeltjes:
   Een cruciaal onderscheid werd gemaakt: terwijl TMPRSS2 de antilichaamherkenning op het oppervlak van besmette cellen sterk verminderde, had het slechts een marginale invloed op de antilichaambinding aan vrijgeven virale deeltjes (gemeten via flow virometrie). Dit wordt toegeschreven aan het feit dat virale assemblage intracellulair plaatsvindt (ERGIC), waar TMPRSS2 (voornamelijk aan het plasmamembraan) minder toegang heeft tot het spike-eiwit voordat het deeltje vrijkomt.

Significantie en Conclusie

De studie onthult een nieuw mechanisme van immuunontwijking voor SARS-CoV-2: TMPRSS2 fungeert niet alleen als een cofactor voor virale invoer, maar modificeert ook de spike-eiwitstructuur op besmette cellen om deze minder zichtbaar te maken voor het humorele immuunsysteem.

• Immunologische Implicatie: Door de S2-subunit naar een fusie-intermediaire conformatie te brengen en S1 te shedden, maakt TMPRSS2 de besmette cel minder kwetsbaar voor neutralisatie en ADCC. Dit kan bijdragen aan de persistentie van infectie en de evolutie van varianten.
• Therapeutische Relevantie: De bevindingen suggereren dat antilichamen die gericht zijn tegen de S2-subunit (die vaak cross-reactief zijn) mogelijk minder effectief zijn op cellen waar TMPRSS2 actief is. Dit onderstreept het belang van het combineren van proteaseremmers (zoals Camostat) met antilichaamtherapieën, hoewel klinische trials met Camostat alleen tot nu toe beperkt succes hebben getoond.
• Fundamenteel Inzicht: Het werk benadrukt dat de conformatie van het spike-eiwit dynamisch is en sterk wordt beïnvloed door de gastheerproteasen, wat een belangrijke nuance toevoegt aan het begrip van virus-immuuninteracties.

Samenvattend toont dit onderzoek aan dat TMPRSS2 een pro-virale rol speelt door de humorele immuunherkenning van besmette cellen te beperken, terwijl het de fusiecapaciteit van het virus behoudt.