人类对SARS-CoV-2感染的B细胞应答的长期演化

Prolonged evolution of the human B cell response to SARS-CoV-2 infection.

作者信息Mrunal Sakharkar, C Garrett Rappazzo, Wendy F Wieland-Alter, Ching-Lin Hsieh, Daniel Wrapp, Emma S Esterman, Chengzi I Kaku, Anna Z Wec, James C Geoghegan, Jason S McLellan, Ruth I Connor, Peter F Wright, Laura M Walker
PMID33622975
发布时间2021-02-23
DOI10.1126/sciimmunol.abg6916

实验完整度

研究包括纵向血清学和B细胞表型分析、1,213个单克隆抗体的分离、功能中和实验、表位定位及变异株交叉反应性分析,涉及体外模型和患者样本。

主要模型

8名COVID-19康复者(轻度5名,重度3名) VSV-SARS-CoV-2假病毒系统 酵母表面展示的RBD变异体

重点核对

样本采集时间点:Visit 1(症状发作后中位35.5天)、Visit 2(95.5天)、Visit 3(153.5天) 血清中和抗体滴度随时间下降,几何平均IC50从1,526降至125 单细胞分选:每个供体每个时间点分选23-368个S特异性swIg+MBCs 中和测定:VSV-SARS-CoV-2假病毒,IgG浓度50 nM用于初始筛选 变异株结合:针对RBD突变体(N501Y, E484K, K417N/T)的Fab结合分析

摘要

深入了解人类对SARS-CoV-2感染的B细胞应答的动力学和演化将有助于开发下一代疫苗和疗法。在这里,我们对轻度和重度COVID-19患者在五个月内的B细胞应答进行了纵向分析。血清中和抗体(nAb)应答迅速下降,但 spike(S)特异性IgG+记忆B细胞(MBCs)随时间保持稳定或增加。对从S特异性MBCs中分离的1,213个单克隆抗体(mAbs)的分析揭示了一种主要为从头发起的应答,其特征是体细胞高频突变、结合亲和力和中和效力随时间增加,为长期的抗体亲和力成熟提供了证据。B细胞免疫优势层级在不同供体的库中相似,并随着免疫应答的进展保持相对稳定。交叉反应性B细胞群体(可能由先前的地方性β-冠状病毒暴露重新唤起)在库中占小但稳定的比例,并且不参与中和应答。中和抗体应答由公共克隆型主导,这些克隆型对在巴西和南非出现的SARS-CoV-2变异体(在S蛋白的位置501、484和417携带突变)表现出显著降低的活性。总体而言,这些结果提供了对人类对SARS-CoV-2感染的B细胞应答的动力学、持久性和功能特性的深入理解,并对优先刺激保护性B细胞应答的免疫原设计具有启示意义。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
人类B细胞对SARS-CoV-2感染的应答随时间如何演化?
核心机制
SARS-CoV-2感染诱导的B细胞应答主要从头发起,并在数月内持续进行体细胞高频突变、亲和力成熟和克隆扩增;公共克隆型(尤其是VH3-53/3-66类)主导中和应答,但针对S蛋白RBD的突变(特别是E484K和K417N/T)会降低其中和活性。
主要证据
对8名供体在三个时间点的纵向样本分析,分离了1,213个单克隆抗体,发现SHM增加、亲和力提高、中和效力增强;公共克隆型(VH3-53/3-66)占高效中和抗体的≥50%;62%的强效中和抗体对南非和巴西变异株RBD结合活性降低>10倍。
研究意义
研究结果揭示了自然感染诱导的B细胞应答的动力学、持久性和功能特性,为设计优先刺激保护性B细胞应答的免疫原提供了启示。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

纵向样本采集与血清学分析

评估SARS-CoV-2感染后血清中和抗体和结合抗体水平的动态变化。

采集8名COVID-19康复者在三个时间点(症状发作后中位35.5、95.5、153.5天)的血清和PBMC样本。通过ELISA检测抗S、RBD、NTD及季节性β-CoV S蛋白的IgG结合抗体。通过VSV-SARS-CoV-2假病毒中和实验测定血清中和滴度。

2

记忆B细胞表型分析

评估SARS-CoV-2 S特异性记忆B细胞的频率和表型随时间的变化。

对PBMC进行流式细胞术分析,用荧光标记的S蛋白四聚体鉴定S特异性B细胞,并分析IgG、IgA、IgM、CD27和CD71表达。

3

单细胞分选和抗体克隆

从S特异性记忆B细胞中克隆单克隆抗体,用于后续测序和功能分析。

单细胞分选S特异性swIg+ MBCs,通过RT-PCR扩增抗体可变区基因,克隆到酵母表达载体中,表达全长IgG1。共获得1,213个单克隆抗体。

4

抗体测序和体外功能鉴定

鉴定抗体的遗传特征、结合亲和力、表位、中和活性和交叉反应性。

对抗体进行重链和轻链测序,分析体细胞高频突变、VH基因使用。通过BLI测量Fab结合亲和力(KD)。通过ELISA评估结合特异性(针对S蛋白亚基)。通过VSV假病毒中和实验测定中和活性。通过酵母表面展示的RBD突变体评估变异株交叉反应性。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

验证样本或模型特征
验证免疫效应
数据分析与统计

产品清单

实验环节名称品牌货号
PEIpro转染试剂PolyPlus115-100
苦马豆素----
Ni Sepharose树脂Cytiva17531804
StrepTactin XT Superflow高容量树脂IBA Life Sciences24030025
Superdex 200 Increase柱Cytiva--
Superose 6 Increase柱Cytiva--
EasySep Direct人B细胞分离试剂盒Stem Cell Technologies19674
FACS Aria II Fusion流式细胞分选仪BD Biosciences--
HotStarTaq Plus DNA聚合酶Qiagen203646
聚乙二醇3350Sigma-Aldrich202444
醋酸锂Sigma Aldrich517992
鲑鱼精DNAInvitrogen15632011
ForteBio Octet HTX生物层干涉仪Molecular Devices--
1-Step Ultra TMB-ELISA底物溶液Thermo Fisher Scientific34029
Spectramax酶标仪Molecular Devices--
BD FACS Canto II流式细胞仪BD Biosciences--
Bright-Glo发光检测系统Promega--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
纵向样本采集
样本采集时间点:Visit 1(症状发作后中位35.5天)、Visit 2(95.5天)、Visit 3(153.5天)
阅读提示:Methods: Study design
血清学分析
ELISA检测抗原:SARS-CoV-2 S-2P、NTD、RBD、OC43 S、HKU1 S;血清稀释系列
阅读提示:Methods: Enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA)
记忆B细胞分析
PBMC样本,流式染色抗体组合,S蛋白四聚体浓度25 nM
阅读提示:Methods: Single B cell sorting
抗体克隆
单细胞分选数量(23-368)每个供体每个时间点;RT-PCR引物
阅读提示:Methods: Amplification and cloning of antibody variable genes
功能分析
VSV-SARS-CoV-2中和实验,IgG浓度50 nM初始筛选,IC50计算
阅读提示:Methods: VSV-SARS-CoV-2 pseudovirus neutralization assay