Study: The S1 Subunit of the SARS-CoV-2 Spike Protein Activates Human Monocytes to Produce Cytokines Linked to COVID-19: Relevance to Galectin-3. Image Credit: Naeblys / Shutterstock.com

Rolle der SARS-CoV-2 S1-Untereinheit bei schwerem COVID-19

Die anhaltende Pandemie der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19), die durch das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) verursacht wird, hat die Gesundheit von Millionen von Menschen auf der ganzen Welt erheblich beeinträchtigt und verursacht weiterhin erhebliche sozioökonomische und politische Herausforderungen. Obwohl COVID-19-Impfstoffe bisher Millionen von Leben gerettet haben, erfordert das kontinuierliche Auftreten von Varianten des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) aktualisierte Impfstoffe und/oder andere vorbeugende Maßnahmen.

Lernen: Die S1-Untereinheit des SARS-CoV-2-Spike-Proteins aktiviert menschliche Monozyten zur Produktion von mit COVID-19 verbundenen Zytokinen: Relevanz für Galectin-3. Bildnachweis: Naeblys / Shutterstock.com

Hintergrund

Ähnlich wie bei den anderen Viren innerhalb der Coronaviridae-Familie, einschließlich SARS-CoV-1 und dem Middle East Respiratory Syndrome (MERS)-CoV, wird die SARS-CoV-2-Infektion in schweren Fällen auch mit der Auslösung des akuten respiratorischen Distressed-Syndroms (ARDS) in Verbindung gebracht. ARDS ist eine lebensbedrohliche Erkrankung, die zum Austritt von Flüssigkeit in die Lunge führt und am häufigsten mit der Sterblichkeit aufgrund von schwerem COVID-19 in Verbindung gebracht wird. Mehrere Studien weisen darauf hin, dass eine fehlregulierte hyperinflammatorische Reaktion oder das Zytokinfreisetzungssyndrom (CRS) für die akute Lungenschädigung und die Entwicklung von ARDS verantwortlich ist.

Die meisten der in der Lunge exprimierten Zytokine sind im Allgemeinen mit der angeborenen Immunität verbunden, einschließlich Chemokine, entzündungsfördernde Zytokine, Wachstumsfaktoren und immunregulatorische Zytokine. Studien haben auch gezeigt, dass bestimmte Zytokine prädiktiv für schweres COVID-19 sind, wie CXC-Motiv-Chemokin-Ligand 10 (CXCL10)/Interferon-Gamma-induziertes Protein 10 (IP-10), Interleukin 10 (IL-10) und IL-6.

Bestimmte angeborene Immunzellen wie Makrophagen und Monozyten werden ebenfalls mit der zugrunde liegenden Pathogenese von COVID-19 in Verbindung gebracht. Die genauen Mechanismen, die der dysregulierten angeborenen Immunantwort und CRS im Zusammenhang mit COVID-19 zugrunde liegen, sind jedoch nicht vollständig verstanden.

SARS-CoV-2 verwendet wie SARS-CoV-1 das Angiotensin-Converting-Enzym 2 (ACE2), um Wirtszellen über sein Spike-Glykoprotein (S) zu infizieren. Das Glykoprotein SARS-CoV-2 S ist ein Trimer, bei dem jedes Protomer aus 1.260 Aminosäuren besteht.

Die S1-Untereinheit des S-Proteins besteht aus 672 Aminosäuren und ist in vier Domänen organisiert. Dazu gehören die C-terminale Domäne (CTD), die auch als Rezeptorbindungsdomäne (RBD) bekannt ist, die N-terminale Domäne (NTD) und zwei Subdomänen von SD1 und SD2. Die S2-Untereinheit bildet den Stiel und besteht aus 588 Aminosäuren.

Eine Region, die als „Galectin-Fold“ bekannt ist, befindet sich innerhalb der NTD von SARS-CoV-2 und weist ein hohes Maß an struktureller Ähnlichkeit mit menschlichem Galectin-3 (Gal-3) auf. Gal-3 ist in der Lage, verschiedene Immunzellen wie Monozyten und Makrophagen zu aktivieren. Daher wurde vorgeschlagen, dass der S1-NTD von SARS-CoV-2 wie Gal-3 wirken kann, was die bei COVID-19 beobachteten immunologischen Zustände erklären könnte.

Ein neues Grenzen in der Immunologie Studie sollte feststellen, ob Teile des SARS-CoV-2 Spike-Protein sind in der Lage, angeborene Immunzellen wie Gal-3 zu aktivieren.

Über das Studium

Die aktuelle Studie umfasste die Kopplung rekombinanter SARS-CoV-2-S-Proteinkomponenten an Vertiefungen von Mikrotiterplatten. Danach wurden Monozyten, Basophile und Subtypen dendritischer Zellen (DC) aus Blutproben isoliert, die von anonymen Probanden gesammelt wurden. Kokulturbedingungen wurden aufrechterhalten, um die Produktion von Cytokinen durch diese Zellen zu induzieren.

Basophile, Monozyten und DC-Subtypen wurden zu den mit S-Protein vorbeschichteten Platten gegeben, inkubiert und die Überstände geerntet. Die Überstände wurden dann für Zytokinmessungen verwendet.

Hypothetische Darstellung, wie eine SARS-CoV-2-Infektion den S1-NTD (und die „Galektin-Falte“) auf Epithelzellen für eine mögliche Aktivierung infiltrierender Monozyten freilegt.  (A) Die SARS-CoV-2-Infektion von Epithelzellen wird mit der Bindung von S1-CTD/RBD an ACE2 initiiert.  Die auf Wirtszellen exprimierte Serinprotease TMPRSS2 spaltet dann das Spike-Protein an der S1/S2-Bindung.  (B) Die S2-Untereinheit erfährt strukturelle Veränderungen, die zunächst dazu dienen, das Virus zu verankern und dann seinen Eintritt in die Zelle zu erleichtern.  Es wird vorgeschlagen, dass das S1/S2-Spaltungsereignis gleichzeitig S1-NTD exponiert, das sich nach außen ausdehnt, da S1-CTD/RBD an ACE2 gebunden bleibt.  (C) Infiltrierende Monozyten/Makrophagen werden dann aktiviert, um COVID-bezogene Zytokine über Glykoproteine ​​der Zelloberfläche (z. B. CD147) und/oder Polysaccharide (z. B. Heparansulfat) zu produzieren, die mit S1-NTD interagieren, das EC-Gal-3 nachahmt.  Die in roter Schrift angezeigten Zytokine wurden in dieser Studie signifikant von der S1-Untereinheit beeinflusst.Hypothetische Darstellung, wie eine SARS-CoV-2-Infektion den S1-NTD (und die „Galektin-Falte“) auf Epithelzellen für eine mögliche Aktivierung infiltrierender Monozyten freilegt. (EIN) Die SARS-CoV-2-Infektion von Epithelzellen wird mit der Bindung von S1-CTD/RBD an ACE2 initiiert. Die auf Wirtszellen exprimierte Serinprotease TMPRSS2 spaltet dann das Spike-Protein an der S1/S2-Bindung. (B) Die S2-Untereinheit erfährt strukturelle Veränderungen, die zunächst dazu dienen, das Virus zu verankern und dann seinen Eintritt in die Zelle zu erleichtern. Es wird vorgeschlagen, dass das S1/S2-Spaltungsereignis gleichzeitig S1-NTD exponiert, das sich nach außen ausdehnt, da S1-CTD/RBD an ACE2 gebunden bleibt. (C) Infiltrierende Monozyten/Makrophagen werden dann aktiviert, um COVID-bezogene Zytokine über die Zelloberfläche zu produzieren Glykoproteine (z. B. CD147) und/oder Polysaccharide (z. B. Heparansulfat), die mit S1-NTD interagieren, das EC-Gal-3 nachahmt. Die in roter Schrift angezeigten Zytokine wurden in dieser Studie signifikant von der S1-Untereinheit beeinflusst.

Studienergebnisse

Die Ergebnisse der aktuellen Studie zeigen, dass die mit S1 vorbeschichteten Kulturvertiefungen im Vergleich zum Medium allein eine höhere Anzahl von Monozyten induzierten. Es wurde festgestellt, dass die IL-6-Spiegel 12,5-fach höher waren im Vergleich zu Kontrollen, wenn die Vertiefungen mit S1 beschichtet waren.

Wenn die Vertiefungen jedoch mit S2 beschichtet waren, wurde festgestellt, dass die IL-6-Spiegel doppelt so hoch waren wie bei den Kontrollen. Bei basophilen Zellen oder DC-Subtypen wurden keine IL-6-Antworten beobachtet.

Höhere Konzentrationen von IL-1β und Tumornekrosefaktor α (TNF-α) wurden auch in mit der S1-Untereinheit beschichteten Vertiefungen in größerem Ausmaß induziert als in Vertiefungen mit entweder den S2- oder S1/S2-Komponenten oder unbeschichteten Vertiefungen. IL-3, von dem festgestellt wurde, dass es die Reaktion auf IL-6 verstärkt, löste die Produktion von IL-1 β und TNF-α aus.

Es wurde festgestellt, dass plasmazytoide DCs (pDCs) und myeloide DCs (mDCs) diese Zytokine als Reaktion auf IL-3 allein produzieren. Zusätzlich wurde eine IL-10-Produktion in seralen Monozytenkulturen beobachtet, obwohl die Spiegel viel geringer waren.

Somit wurde festgestellt, dass S1 die Sekretion des Wachstumsfaktors Granulozyten-Kolonie-stimulierender Faktor (G-CSF) durch die Monozyten induziert. Jedoch konnte keines der S-Proteine ​​einen anderen Zelltyp zur Produktion anderer Wachstumsfaktoren induzieren. Die S-Proteine ​​beeinflussten auch die meisten Th1- und Th2-ILs nicht.

Es wurde auch festgestellt, dass die S1-Untereinheit auf Monozyten einwirkt, um mehrere Chemokine wie CCL4/Makrophagen-Entzündungsprotein 1 beta (MIP-1b), CCL3/MIP-1a und CXCL10/IP-10 zu produzieren. Die S1-Untereinheit war jedoch nicht in der Lage, diese Chemokine aus den anderen Zelltypen zu induzieren. In Kombination mit IL-3 induzierte die S2-Untereinheit sowohl CCL3/MIP-1a als auch CCL/MIP-1b nur von mDC.

Es wurde festgestellt, dass sich die Galectin-Faltung innerhalb der NTD der S1-Untereinheit befindet, während die CTD/RBD-Region, von der bekannt war, dass sie ACE2 bindet, keine Rolle bei der Aktivierung von Monozyten spielte. Zusätzlich unterdrückte das Galectin-3-Bindungsprotein (LGALS3BP) die Produktion von IL-6 durch Monozyten dosisabhängig.

Schlussfolgerungen

Die aktuelle Studie zeigt, dass der S1-NTD von SARS-CoV-2, der Gal-3 nachahmt, in der Lage ist, angeborene Immunzellen, insbesondere Monozyten, zu aktivieren. Daher ist die Entwicklung von Gal-3-ähnlichen Antagonisten bzw neutralisierende Antikörper die auf S1-NTD abzielen, können hilfreich sein, um eine anhaltende Fehlfunktion des angeborenen Immunsystems und das Auftreten von CRS zu verhindern, die letztendlich zu ARDS führen können.[if–>

Journal reference:

  • Schroeder, J. T. & Bieneman, A. P. (2022). The S1 Subunit of the SARS-CoV-2 Spike Protein Activates Human Monocytes to Produce Cytokines Linked to COVID-19: Relevance to Galectin-3. Frontiers in Immunology. doi:10.3389/fimmu.2022.831763.

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