Vorhersage von Immunevasions-Mutanten (PREMUS)

Projektleiter: Prof. Dr. Stefan Dübel

Das wurde erreicht:

Das Projekt untersuchte, wie die Auswirkungen möglicher künftiger Mutationen im Spike-Protein des SARS-CoV-2-Coronavirus auf die Wirksamkeit neutralisierender therapeutischer Antikörper kartiert werden können. Zahlreiche solcher Antikörper wurden bereits für den klinischen Einsatz zur Behandlung von Patienten, die akut an COVID-19 erkrankt sind, zugelassen, aber viele wurden bereits durch Mutationen im Spike-Protein des Virus unwirksam gemacht. Für künftige Antikörperentwicklungen wäre es wünschenswert, potenzielle Mutationen, die diese Medikamente unwirksam machen könnten, so früh wie möglich zu identifizieren. Diese Informationen könnten genutzt werden, um bessere Medikamente zu entwickeln. 

Im Rahmen des PREMUS-Projekts wurde Phage Display eingesetzt, eine Methode, mit der Millionen mutierter Varianten des Spike-Proteins des Virus gleichzeitig untersucht werden können, ohne dass mutierte Coronaviren hergestellt werden müssen. Wir haben einen Ansatz entwickelt, um die Auswirkungen von SARS-CoV-2-Varianten mit Mutationen in der Rezeptorbindungsdomäne (RBD) auf die Wirksamkeit von therapeutischen Antikörpern zu testen. Erreicht wurde dies durch den Einsatz von Zufalls-Mutagenese im Spike-Gen, den Aufbau von Phage-Display-Bibliotheken mit einer Diversität von mehr als 106 RBD-Varianten und deren Verwendung für die sequentielle Selektion auf ACE2- und Anti-SARS-CoV-2-Antikörpern, um RBD-Mutanten zu identifizieren, die zwar immer noch infektiös sind, aber von den analysierten Antikörpern nicht neutralisiert werden können.  Die Daten zum Funktionsverlust bei der Bindung können dabei einen Hinweis auf die Auswirkungen künftiger Mutationen im Spike-Protein auf die Wirksamkeit therapeutischer Antikörper liefern. Zur Validierung der Methode wurden mutierte RBD-Bibliotheken erzeugt, indem zufällig mutierte RBD-Gene von Wuhan und Omicron BA.1 in den Phagen-Display-Vektor pHAL30 kloniert wurden, ähnlich dem Verfahren, das zur Erzeugung von ORFeome-Phagen-Display-Bibliotheken verwendet wird. Die Diversität der Genbibliotheken lag in beiden Bibliotheken bei über 2 x107 unabhängigen Klonen. Zur Identifizierung von Escape-Mutanten wurde zunächst eine Negativselektion auf den klinisch zugelassenen Antikörper LyCoV1404 (Bebtelovimab) durchgeführt, bevor das Panning auf ACE2 erfolgte. Es wurden so potenzielle Escape-Mutanten identifiziert. Außerdem konnten wir feststellen, dass SARS-CoV-2-RBD mit der Mutation K378Q nicht mehr vom neutralisierenden Antikörper CR3022 erkannt wird und dennoch an den ACE2-Rezeptor bindet. 

Die erzielten Ergebnisse veranschaulichen das Potenzial des Antigen-Phagendisplays zur Identifizierung von Mutationen im SARS-CoV-2-Spike-Protein, die bewirken, dass das Virus von einem neutralisierenden Antikörper nicht mehr erkannt wird, aber die Bindung an den für die Infektion notwendigen zellulären Rezeptor dennoch nicht verhindern. Wir entdeckten auch ein immunogenes Epitop in der S2-Subdomäne des Spike-Proteins, das bei COVID-19-Patienten häufig vorkommt. Schließlich wurde ein klinisch verwendeter Antikörper erfolgreich mutiert, um seine Bindung an eine neue variant of concern von SARS-CoV-2 wiederherzustellen.

Publikationen

• ORFeome Phage Display Reveals a Major Immunogenic Epitope on the S2 Subdomain of SARS-CoV-2 Spike Protein. Ballmann R, Hotop SK, Bertoglio F, Steinke S, Heine PA, Chaudhry MZ, Jahn D, Pucker B, Baldanti F, Piralla A, Schubert M, Čičin-Šain L, Brönstrup M, Hust M, Dübel S., Viruses 14, 2022, https://doi.org/10.3390/v14061326
• Host cell entry and neutralisation sensitivity of the SARS-CoV-2 XBB.1.16 lineage. Nehlmeier, I., Kempf, A., Arora, P., Cossmann, A., Dopfer-Jablonka, A., Stankov, M. V., Schulz, S. R., Jäck, H. M., Behrens, G. M. N., Pöhlmann, S., & Hoffmann, M., Cellular and Molecular Immunology 20, 2023, https://doi.org/10.1038/s41423-023-01030-z
• Neutralisation sensitivity of SARS-CoV-2 lineages EG.5.1 and XBB.2.3. Zhang, L., Kempf, A., Nehlmeier, I., Cossmann, A., Dopfer-Jablonka, A., Stankov, M. V., Schulz, S. R., Jäck, H. M., Behrens, G. M. N., Pöhlmann, S., & Hoffmann, M., The Lancet Infectious Diseases, 23 (10), 2023 https://doi.org/10.1016/S1473-3099(23)00547-9
• Omicron subvariant BA.5 efficiently infects lung cells. Hoffmann, M., Wong, L. Y. R., Arora, P., Zhang, L., Rocha, C., Odle, A., Nehlmeier, I., Kempf, A., Richter, A., Halwe, N. J., Schön, J., Ulrich, L., Hoffmann, D., Beer, M., Drosten, C., Perlman, S., & Pöhlmann, S., Nature Communications 14 (1) 2023, https://doi.org/10.1038/s41467-023-39147-4
• Polyvalent Nano-Lectin Potently Neutralizes SARS-CoV-2 by Targeting Glycans on the Viral Spike Protein. Budhadev, D., Hooper, J., Rocha, C., Nehlmeier, I., Kempf, A. M., Hoffmann, M., Krüger, N., Zhou, D., Pöhlmann, S., & Guo, Y., JACS Au, 3 (6), 2023, https://doi.org/10.1021/jacsau.3c00163
• Profound neutralization evasion and augmented host cell entry are hallmarks of the fast-spreading SARS-CoV-2 lineage XBB.1.5. Hoffmann, M., Arora, P., Nehlmeier, I., Kempf, A., Cossmann, A., Schulz, S. R., Morillas Ramos, G., Manthey, L. A., Jäck, H. M., Behrens, G. M. N., & Pöhlmann, S., Cellular & Molecular Immunology, 20 (4), 2023, https://doi.org/10.1038/s41423-023-00988-0
• Systematical assessment of the impact of single spike mutations of SARS-CoV-2 Omicron sub-variants on the neutralization capacity of post-vaccination sera. Katzmarzyk, M., Clesle, D. C., van den Heuvel, J., Hoffmann, M., Garritsen, H., Pöhlmann, S., Jacobsen, H., & Čičin-Šain, L., Frontiers in Immunology 14, 2023, https://doi.org/10.3389/fimmu.2023.1288794
• Cytoskeletal β-tubulin and cysteine cathepsin L deregulation by SARS-CoV-2 spike protein interaction with the neuronal model cell line SH-SY5Y. Bernardo R Oliveira, Inga Nehlmeier, Amy Madeleine Kempf, Vaishnavi Venugopalan, Maren Rehders, Marianne E P Ceniza, Pedro A de T P V Cavalcanti, Markus Hoffmann, Stefan Pöhlmann, Klaudia Brix, Biochimie 226, 2024, https://doi.org/10.1016/j.biochi.2024.02.006
• Immune responses following BNT162b2 XBB.1.5 vaccination in patients on haemodialysis in Germany. Cossmann, A., Hoffmann, M., Stankov, M. V., Lürken, K., Morillas Ramos, G., Kempf, A., Nehlmeier, I., Pöhlmann, S., Behrens, G. M. N., & Dopfer-Jablonka, A., The Lancet Infectious Diseases, 24 (3), 2024, https://doi.org/10.1016/S1473-3099(23)00783-1
• Phosphatidylserine-exposing extracellular vesicles in body fluids are an innate defence against apoptotic mimicry viral pathogens. Groß, R., Reßin, H., von Maltitz, P., Albers, D., Schneider, L., Bley, H., Hoffmann, M., Cortese, M., Gupta, D., Deniz, M., Choi, J. Y., Jansen, J., Preußer, C., Seehafer, K., Pöhlmann, S., Voelker, D. R., Goffinet, C., Pogge-von Strandmann, E., Bunz, U., … Müller, J. A., Nature Microbiology  9, 2024, https://doi.org/10.1038/s41564-024-01637-6
• Rapid spread of the SARS-CoV-2 JN.1 lineage is associated with increased neutralization evasion. Zhang L, Dopfer-Jablonka A, Cossmann A, Stankov MV, Graichen L, Moldenhauer AS, Fichter C, Aggarwal A, Turville SG, Behrens GMN, Pöhlmann S, Hoffmann M, iScience 2024, https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.109904
• Virological Traits of the SARS-CoV-2 BA.2.87.1 Lineage. Zhang L, Dopfer-Jablonka A, Nehlmeier I, Kempf A, Graichen L, Calderón Hampel N, Cossmann A, Stankov MV, Morillas Ramos G, Schulz SR, Jäck HM, Behrens GMN, Pöhlmann S, Hoffmann M, Vaccines (Basel) 2024, https://doi.org/10.3390/vaccines12050487
• Entry Efficiency, Protease Dependence, and Antibody-Mediated Neutralization of SARS-CoV-2 Sublineages KP.3.1.1 and XEC. Prerna Arora, Amy Kempf, Inga Nehlmeier, Sebastian R. Schulz, Hans-Martin Jäck, Markus Hoffmann, Stefan Pöhlmann, Vaccines 2025, https://doi.org/10.3390/vaccines13040385
• Host cell entry and neutralisation sensitivity of the emerging SARS-CoV-2 variant LP.8.1. Lu Zhang, Amy Kempf, Inga Nehlmeier, Nianzhen Chena, Metodi V Stankovd, Christine Happle, Alexandra Dopfer-Jablonka, Georg M N Behrens, Markus Hoffmann, Stefan Pöhlmann, Lancet Infectious Diseases 2025, https://doi.org/10.1016/S1473-3099(25)00113-6
• Reverse mutational scanning of SARS-CoV-2 spike BA.2.86 identifies epitopes contributing to immune escape from polyclonal sera. Najat Bdeir, Tatjana Lüddecke, Henrike Maaß, Stefan Schmelz, Ulfert Rand, Henning Jacobsen, Kristin Metzdorf, Upasana Kulkarni, Anne Cossmann, Metodi V. Stankov, Markus Hoffmann, Stefan Pöhlmann, Wulf Blankenfeldt, Alexandra Dopfer-Jablonka, Georg M. N. Behrens, Luka Čičin-Šain. Nature Communications 2025, https://doi.org/10.1038/s41467-025-55871-5