mini|TEM-Aufnahme von Virionen des SARS-CoV-2 Das Spike-Glykoprotein von SARS-CoV-2 ist eine nach außen ragende Proteinstruktur (Peplomer) des SARS-CoV-2 Virions. Es ist ein transmembranes Glykoprotein auf der Virusoberfläche des SARS-CoV-2 und dient als Ligand zum Andocken an ACE2 auf der Zelloberfläche sowie als fusogenes Protein zum Zelleintritt. Wie bei den anderen Mitgliedern der Coronaviridae bilden die Spike-Gykoproteine die markante und namensgebende () Oberflächenstruktur dieser Virionen.
Eigenschaften mini|links|Spike-Glykoprotein ohne (links) und mit Glykosylierungen (rechts) über der Virusmembran (rot)L. Casalino, Z. Gaieb, J. A. Goldsmith, C. K. Hjorth, A. C. Dommer, A. M. Harbison, C. A. Fogarty, E. P. Barros, B. C. Taylor, J. S. McLellan, E. Fadda, R. E. Amaro: Beyond Shielding: The Roles of Glycans in the SARS-CoV-2 Spike Protein. In: ACS central science. Band 6, Nummer 10, Oktober 2020, S. 1722–1734, , PMID 33140034, . mini|hochkant=1.3|Schematische Darstellung des SARS-CoV-2 Virions mit Spike-Glykoproteinen Die SARS-CoV-2 Virion bindet mit Hilfe der Spike-Glykoproteine an den ACE2-Rezeptor von Körperzellen, mit denen es verschmilzt und sich darin vermehrt (Wirtszellen).Mechanisms of SARS-CoV-2 entry into cells (www.nature.com/, 5. Oktober 2021)
Bindung und Fusion mit den Wirtszellen Das Spike-Glykoprotein ist ein homotrimeres Protein und eines der vier strukturellen Proteine des SARS-CoV-2.Y. Wang, M. Grunewald, S. Perlman: Coronaviruses: An Updated Overview of Their Replication and Pathogenesis. In: Methods in molecular biology. Band 2203, 2020, S. 1–29, , PMID 32833200, . Es bestimmt den Wirts- und Zelltropismus des SARS-CoV-2.C. Zhu, G. He, Q. Yin, L. Zeng, X. Ye, Y. Shi, W. Xu: Molecular biology of the SARs-CoV-2 spike protein: A review of current knowledge. In: Journal of medical virology. Band 93, Nummer 10, 10 2021, S. 5729–5741, , PMID 34125455, . Auf der Oberfläche eines Virions befinden sich 15–30 frei rotierbare Homotrimere des Spike-Glykoproteins.S. B. Kadam, G. S. Sukhramani, P. Bishnoi, A. A. Pable, V. T. Barvkar: SARS-CoV-2, the pandemic coronavirus: Molecular and structural insights. In: Journal of basic microbiology. Band 61, Nummer 3, März 2021, S. 180–202, , PMID 33460172, . Jedes der drei gleichen Monomere besitzt drei interne Disulfidbrücken. Jede der drei gleichen Untereinheiten wird durch Proteolyse von einer Furin-artigen Protease vor der Position 686 in zwei Teile S1 und S2 gespalten, wobei die gespaltenen Teile S1 und S2 aneinander gebunden bleiben. Im Gegensatz zu anderen Coronaviren besitzt die Schnittstelle die Sequenz RRAR, welche die Spaltung erleichtert.R. Kumavath, D. Barh, B. S. Andrade, M. Imchen, F. F. Aburjaile, A. Ch, D. L. Rodrigues, S. Tiwari, K. J. Alzahrani, A. Góes-Neto, M. E. Weener, P. Ghosh, V. Azevedo: The Spike of SARS-CoV-2: Uniqueness and Applications. In: Frontiers in immunology. Band 12, 2021, S. 663912, , PMID 34305894, . Im S1-Bereich liegt nach einem Signalpeptid zunächst die N-terminale Domäne (NTD), gefolgt von der Rezeptorbindungsdomäne (RBD) zum Andocken an die Wirtszelle.X. Xia: Domains and Functions of Spike Protein in Sars-Cov-2 in the Context of Vaccine Design. In: Viruses. Band 13, Nummer 1, Januar 2021, , PMID 33466921, . Das Signalpeptid enthält 13 Aminosäuren, die spiralförmig und hydrophob (wassermeidend) angeordnet sind. In der NTD liegt die Sequenz GTNGTKR, die vermutlich die Bindung an weitere Membranproteine ermöglicht. N-Glykosylierungen an N165 und N234 stabilisieren die Bindung der RBD an ACE2. N-Glykosylierungen an N61 und N603 führen zu einer erhöhten Zugänglichkeit der Schnittstelle für Proteasen.
S2 wird nach Aufnahme ins Endosom weiter durch TMPRSS2 vor der Position 816 gespalten, wodurch S2' (Position 816 – 1273) entsteht und die Fusionsdomäne aktiviert wird. Diese Spaltung wird durch Cathepsin L nichtessentiell unterstützt.C. B. Jackson, M. Farzan, B. Chen, H. Choe: Mechanisms of SARS-CoV-2 entry into cells. In: Nature reviews. Molecular cell biology. Band 23, Nummer 1, 01 2022, S. 3–20, , PMID 34611326, . Im S2-Bereich liegen das Fusionspeptid (FP) und das interne fusionspeptid (IFP) für die Verschmelzung von Virus- und Zellmembran, zwei Heptad-Repeat-Domänen (HR1 und HR2), eine Transmembrandomäne und zuletzt eine kurze C-terminale Domäne, die im Zytosol liegt. Bei S2' fehlt durch die Spaltung das Fusionspeptid FP. Die Proteine M und E des SARS-CoV-2 modulieren den Proteintransport neugebildeter Spike-Glykoproteine über unterschiedliche Mechanismen.B. Boson, V. Legros, B. Zhou, E. Siret, C. Mathieu, F. L. Cosset, D. Lavillette, S. Denolly: The SARS-CoV-2 envelope and membrane proteins modulate maturation and retention of the spike protein, allowing assembly of virus-like particles. In: Journal of Biological Chemistry. Band 296, 2021 Jan-Jun, S. 100111, , PMID 33229438, . Die Transmembrandomäne ist die zweite hydrophobe Aminosäuresequenz des Spike-Glykoproteins.
Proteinfaltungen mini|Die Faltung der Fusionsdomäne vor (hell) und nach der Membranfusion (dunkel) mit der zentralen α-Helix (orange = Präfusion, rot = Postfusion) und dem Heptad Repeat 1 (hellblau = Präfusion, dunkelblau = Postfusion)A. C. Walls, X. Xiong, Y. J. Park, M. A. Tortorici, J. Snijder, J. Quispe, E. Cameroni, R. Gopal, M. Dai, A. Lanzavecchia, M. Zambon, F. A. Rey, D. Corti, D. Veesler: Unexpected Receptor Functional Mimicry Elucidates Activation of Coronavirus Fusion. In: Cell. Band 176, Nummer 5, 02 2019, S. 1026–1039.e15, , PMID 30712865, .X. Fan, D. Cao, L. Kong, X. Zhang: Cryo-EM analysis of the post-fusion structure of the SARS-CoV spike glycoprotein. In: Nature Communications. Band 11, Nummer 1, 07 2020, S. 3618, , PMID 32681106, . Das Spike-Glykoprotein besitzt drei mögliche Proteinfaltungen: die native Präfusionsform, die Prä-Haarnadelschleifenform und die Postfusions-Haarnadelschleifen-Form. Bei der Membranfusion mit der Wirtszelle bilden Coiled-Coil-Strukturen (mit Heptadenmuster) ein Trimer von Haarnadelschleifen, wodurch das Fusionspeptid in die Nähe des C-terminalen Bereichs der extrazellulären Proteindomäne gebracht wird, woraufhin die Membranfusion mit der Membran der Wirtszelle erfolgt. Durch die Bindung an den Rezeptor wird eine Änderung der Faltung induziert, welche das Fusionspeptid stärker exponiert, wodurch die Membranfusion ausgelöst wird.W. T. Harvey, A. M. Carabelli, B. Jackson, R. K. Gupta, E. C. Thomson, E. M. Harrison, C. Ludden, R. Reeve, A. Rambaut,. , S. J. Peacock, D. L. Rober: SARS-CoV-2 variants, spike mutations and immune escape. In: Nature reviews. Microbiology. Band 19, Nummer 7, 07 2021, S. 409–424, , PMID 34075212, . Das Fusionspeptid besteht aus zwei Teilen an den Positionen 816 – 837 und 835 – 855. Die Transmembrandomäne liegt bei den Aminosäuren 1214 – 1236. Durch die Fusion wird das Virusinnere () mit dem viralen Genom ins Zytosol freigesetzt, woraufhin die Translation der viralen Proteine beginnt. Wie viele andere fusogene Proteine führen Spike-Glykoproteine von humanen CoronavirenS. Belouzard, J. K. Millet, B. N. Licitra, G. R. Whittaker: Mechanisms of coronavirus cell entry mediated by the viral spike protein. In: Viruses. Band 4, Nummer 6, 06 2012, S. 1011–1033, , PMID 22816037, . und auch das von SARS-CoV-2 zur Bildung von Syncytien,J. Buchrieser, J. Dufloo, M. Hubert, B. Monel, D. Planas, M. M. Rajah, C. Planchais, F. Porrot, F. Guivel-Benhassine, S. Van der Werf, N. Casartelli, H. Mouquet, T. Bruel, O. Schwartz: Syncytia formation by SARS-CoV-2-infected cells. In: The EMBO Journal. Band 39, Nummer 23, 12 2020, S. e106267, , PMID 33051876, .Z. Zhang, Y. Zheng, Z. Niu, B. Zhang, C. Wang, X. Yao, H. Peng, D. N. Franca, Y. Wang, Y. Zhu, Y. Su, M. Tang, X. Jiang, H. Ren, M. He, Y. Wang, L. Gao, P. Zhao, H. Shi, Z. Chen, X. Wang, M. Piacentini, X. Bian, G. Melino, L. Liu, H. Huang, Q. Sun: SARS-CoV-2 spike protein dictates syncytium-mediated lymphocyte elimination. In: Cell death and differentiation. Band 28, Nummer 9, 09 2021, S. 2765–2777, , PMID 33879858, . vermutlich zur Infektion von Nachbarzellen.
Manche SARS-CoV-2-Impfstoffe verwenden als Antigen eine Variante des S-Glykoproteins, die zwei geänderte Proline in der Nähe der Fusionsdomäne aufweist, welche die Proteinfaltung vor der Membranfusion stabilisieren (engl. 2P-prefusion-stabilised). Bei der 2P-Variante wurden zwei Aminosäuren gegen Proline getauscht: an Position 1060 war zuvor ein Valin, an Position 1061 war zuvor ein Leucin.J. Pallesen, N. Wang, K. S. Corbett, D. Wrapp, R. N. Kirchdoerfer, H. L. Turner, C. A. Cottrell, M. M. Becker, L. Wang, W. Shi, W. P. Kong, E. L. Andres, A. N. Kettenbach, M. R. Denison, J. D. Chappell, B. S. Graham, A. B. Ward, J. S. McLellan: Immunogenicity and structures of a rationally designed prefusion MERS-CoV spike antigen. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 114, Nummer 35, 08 2017, S. E7348–E7357, doi:10.1073/pnas.1707304114, PMID 28807998, . Die 2P-Variante wurde für Coronaviren erstmals beim MERS-CoV beschrieben. Die Analogie der 2P-Variante bei SARS-CoV-2 wurde bestätigt.D. Wrapp, N. Wang, K. S. Corbett, J. A. Goldsmith, C. L. Hsieh, O. Abiona, B. S. Graham, J. S. McLellan: Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. In: Science. Band 367, Nummer 6483, 03 2020, S. 1260–1263, doi:10.1126/science.abb2507, PMID 32075877, .
Immunologie mini|links|Die Antikörper Casirivimab (grün) und Imdevimab (orange) binden an die RBD mini|links|Die Antikörper Tixagevimab (violett) und Cilgavimab (grün) binden an die RBD Antikörper gegen das Spike-Glykoprotein werden sowohl nach Infektion mit SARS-CoV-2 als auch nach Impfung mit COVID-19-Impfstoffen gebildet. Neutralisierende Antikörper gegen SARS-CoV-2 binden zu einem Anteil von etwa 90 % an die RBD im S1.P. V'kovski, A. Kratzel, S. Steiner, H. Stalder, V. Thiel: Coronavirus biology and replication: implications for SARS-CoV-2. In: Nature reviews. Microbiology. Band 19, Nummer 3, 03 2021, S. 155–170, , PMID 33116300, . Die monoklonalen Antikörper Bamlanivimab, Casirivimab, Cilgavimab, Etesevimab, Imdevimab, Regdanvimab, Sotrovimab und Tixagevimab binden an die Rezeptorbindungsdomäne (RBD) des Spike-Glykoproteins von SARS-CoV-2. Viele Epitope auf der Oberfläche des Spike-Glykoproteins sind durch umfangreiche Glykosylierungen maskiert. Da die RBD im Vergleich zu anderen Oberflächenstrukturen weniger durch Glykosylierungen maskiert ist, wirkt die RBD vermutlich für neutralisierende Antikörper immundominant.Y. Watanabe, Z. T. Berndsen, J. Raghwani, G. E. Seabright, J. D. Allen, O. G. Pybus, J. S. McLellan, I. A. Wilson, T. A. Bowden, A. B. Ward, M. Crispin: Vulnerabilities in coronavirus glycan shields despite extensive glycosylation. In: Nature Communications. Band 11, Nummer 1, 05 2020, S. 2688, , PMID 32461612, . Antikörper-Fluchtmutationen treten vor allem in einem bestimmten Bereich der RBD auf, was ebenfalls auf die Immundominanz der RBD für Antikörper hinweist.A. J. Greaney, A. N. Loes, K. H. Crawford, T. N. Starr, K. D. Malone, H. Y. Chu, J. D. Bloom: Comprehensive mapping of mutations in the SARS-CoV-2 receptor-binding domain that affect recognition by polyclonal human plasma antibodies. In: Cell host & microbe. Band 29, Nummer 3, 03 2021, S. 463–476.e6, , PMID 33592168, . Neutralisierende Antikörper gegen das Spike-Glykoprotein werden nach ihren Bindungseigenschaften in 4 Klassen eingeteilt:C. O. Barnes, C. A. Jette, M. E. Abernathy, K. A. Dam, S. R. Esswein, H. B. Gristick, A. G. Malyutin, N. G. Sharaf, K. E. Huey-Tubman, Y. E. Lee, D. F. Robbiani, M. C. Nussenzweig, A. P. West, P. J. Bjorkman: SARS-CoV-2 neutralizing antibody structures inform therapeutic strategies. In: Nature. Band 588, Nummer 7839, 12 2020, S. 682–687, , PMID 33045718, . ACE2-blockierende Antikörper, welche die offene Faltungsform des Spike-Glykoproteins binden (Klasse 1)