Quelques définitions... virus, variants, anticorps bloquants et évasion immunitaire

Un peu de biologie pour mieux comprendre la pandémie. Qu'est-ce qu'un anticorps bloquant ? Un test de neutralisation ? Qu'est donc la protéine Spike ? Qu'est-ce qu'un variant ? Que signifie évasion immunitaire ?

J'ai évidement simplifé beaucoup de choses pour ne pas rebuter trop vite tout en essayant de garder assez de détails pour les plus intéressés.


Pour un rappel du déroulement de la réponse immunitaire anti-virale, je vous invite à regarder le 1er schéma d'un billet précédent.


SARS-Cov2, Spike et variants de Spike © Alan Emrey SARS-Cov2, Spike et variants de Spike © Alan Emrey

  • Qu'est donc le virus SARS-Cov2 ?

Il s'agit de l'un des 7 coronavirus capables d'infecter les humains. Il en existe des dizaines de milliers et les investigations pour les cataloguer continuent pour justement prévenir des pandémies.

Le SARS-Cov2 est un virus à ARN simple brin (acide ribonucléique) d'une longueur d'environ 30.000 bases. Il y a 4 bases nucléiques (ou nucléotides) dans l'ARN (A. U. G et C). Cet ARN viral comporte 12 gènes codant (portant l'information pour la production de) 20 protéines dont 4 dites protéines structurelles : la protéine Spike, la protéine E (enveloppe), la protéine M (membrane) et la protéine N (nucléocapside). Spike, E et M sont les protéines formant l'enveloppe virale alors que la protéine N entoure l'ARN viral pour le "protéger".

Un virus ne peut pas se multiplier de lui-même, il a besoin d'un hôte (cellule infectée). Le virus utilise (pirate) la cellule qu'il a infectée pour se reproduire (produire d'autres virus). La cellule va ainsi produire l'ARN viral, les protéines virales et la membrane lipidique. L'ARN viral est traduit en protéine dans les cellules infectées. L'agencement en triplet des nucléotides de l'ARN s'appelle un codon. Un codon (donc 3 nucléotides) code pour un acide aminé. Le code génétique est redondant (plusieurs codons codent pour le même acide aminé). Seule une partie de l'ARN est codante (informative pour la traduction en protéine). Une protéine est une séquence d'acide aminé attachée à la suite et repliée de manière à avoir une forme fonctionnelle en 3D.

 

  • Qu'est donc la protéine Spike ?  

Spike est une protéine qui comporte 2 sous-unités S1 et S2. La quasi totalité de la protéine est à l'extérieure de l'enveloppe virale. S1 permet à Spike de s'accrocher à son récepteur sur la surface de la cellule à infecter. S2 permet à la fusion entre les membranes virale et cellulaire. Spike est constituée de plusieurs régions (ou domaine) ayant des fonctions biologiques différentes. S1 contient le domaine de liaison au récepteur (receptor binding domain ; RBD). Spike est un trimère, c'est-à-dire que 3 protéines Spike (ou protomères) sont enroulées les unes dans les autres pour former le complexe Spike biologiquement actif. La forme de Spike change après clivage (séparation de S1 et S2) lors de la fusion à la cellule à infecter. Le RBD interagit avec ACE2 (angiotensin-converting enzyme 2), protéine présente à la surface de certaines de nos cellules et qui sert donc de récepteur au SARS-Cov2 pour les pénétrer. Voici une représentation 3D de Spike.

Représentation 3D du trimère Spike avant fusion (déterminée par cryo electron microscopy) © Cai et al 2020 Science Représentation 3D du trimère Spike avant fusion (déterminée par cryo electron microscopy) © Cai et al 2020 Science

 

  • Qu'est-ce qu'un anticorps ? un anticorps bloquant ?

Il faut introduire le couple antigène/anticorps.

Un antigène est une molécule qui est reconnue comme étrangère à l'organisme et donc déclenche une réponse immunitaire. Si la molécule est une protéine, on appelle épitope la partie de l'antigène reconnue par un anticorps. Un antigène peut avoir plusieurs épitopes.

Un anticorps est une protéine produite et sécrétée par une cellule immunitaire appelée lymphocyte B. On trouve les anticorps à surface de certaines nos cellules mais aussi dans la circulation sanguine et lymphatique. Un anticorps reconnaît un unique épitope. Un lymphocyte B donné ne produit qu'un type d'anticorps (monoclonal) capable de reconnaître un unique épitope. Des lymphocytes B différents (clones différents) peuvent produire des anticorps dirigés contre un même antigène mais des épitopes différents.

Ainsi tout microbe est constitué de protéines étrangères et donc d'antigènes capables de déclencher une réponse immunitaire par la personne infectée.

Anticorps © Alan Emrey Anticorps © Alan Emrey

Ce sont les parties variables de la chaînes lourdes et légères qui déterminent la spécificité de l'anticorps à un épitope.

En se fixant sur sa cible, l'anticorps va empêcher la cible d'effectuer son action biologique (se fixer sur la cellule, permettre l'entrée dans la cellule...), on parle dans ce cas d'anticorps bloquant ou neutralisant. Un anticorps peut aussi fixer un antigène sur une région biologiquement "inerte", il s'agira d'un anticorps non bloquant. De nombreuses cellules de l'organisme sont chargées et capables de fixer les anticorps et donc d'internaliser et détruire le microbe fixé aux anticorps, ainsi les anticorps non-bloquants ont un rôle important dans les défenses immunitaires.

Il existe plusieurs classes d'anticorps IgA, IgD IgE, IgM, IgG. Les IgG représentent environ 80% des anticorps du sérum sanguin.

 

  • Qu'est-ce qu'un test de neutralisation ?   

De manière simplifiée en laboratoire, on incube une quantité donnée de virus avec des concentrations différentes de l'anticorps dont on teste la capacité de neutralisation (ou les séra de patients). L'ensemble est déposé sur des cellules et après un temps donné on ajoute un colorant pour déterminer les cellules infectées. On calcule ainsi le pourcentage de réduction de cellules infectées et on détermine l'IC50 : la quantité d'anticorps nécessaire pour obtenir une réduction de 50% de l'infection. Une IC50 est basse signifie qu'avec une faible quantité d'anticorps, on parvient à neutraliser l'infection. Plus l'IC50 est faible, meilleur est le pouvoir neutralisant.

 

  • Anticorps contre Spike

Lorsque le SARS-Cov2 infecte une personne, elle développe une réponse immunitaire Lorsqu'on prend des séra de patients guéris, on y retrouve des anticorps ciblant SARS-Cov2 qu'on peut isoler et caractériser. Ainsi, plusieurs laboratoires ont déterminé les épitopes reconnus par les anticorps présents dans les séra (cartographie ou epitope mapping).

En partant d'une cohorte de 647 patients infectés, il a pu être déterminé que les anticorps ciblant le RBD de Spike représentent 90% de l'activité neutralisante des séra ! Ainsi, bloquer l'infection par le SARS-Cov2 passe principalement par le ciblage de Spike et plus précisément son RBD. C'est pour cela que les vaccins ciblent tous Spike (à l'exception des vaccins à base de virus inactivé -qui ciblent le virus dans sa globalité).

En partant des séra de 42 patients guéris, une autre équipe a pu isoler 377 anticorps monoclonaux dirigés contre Spike (reconnaissant un épitope différent). 21% ciblent le RBD, 13% la forme trimérique de Spike,  Les 66% restants ciblent Spike hors RBD.

Les tests de neutralisation ont montré que seuls 5% des anticorps ne ciblant pas le RBD avaient une certaine activité neutralisante (IC50<10 μg/ml) contre 60% des anticorps dirigés contre le RBD. Cependant, en terme de réel pouvoir neutralisant (IC50<0.1 μg/ml ; facteur 100), seuls 20% des anticorps anti-RBD correspondaient au critère ainsi qu'un seul hors RBD. Soit seulement 20 anticorps neutralisants sur 377 monoclonaux.  (Un autre groupe a obtenu 10 anticorps fortement bloquants dirigés contre le RBD à partir des séra de 5 patients.)

Cartographie des épitopes du RBD © Dejnirattisai et al. 2021 Cell The antigenic anatomy of SARS-CoV-2 receptor binding domain Cartographie des épitopes du RBD © Dejnirattisai et al. 2021 Cell The antigenic anatomy of SARS-CoV-2 receptor binding domain

On comprend donc l'importance du RBD et plus particulièrement des points de contact avec ACE2, et les craintes justifiées de mutations à ces endroits.

C'est pour cela, que certains laboratoires cherchent à développer des anticorps monoclonaux extrêmement bloquants (exemple dont on parle en ce moment le regeneron de Lilly, j'y reviendrai plus bas dans le paragraphe sur les variants). Leur administration suffisamment tôt après le début de l'infection permettrait de limiter l'infection et faciliterait l'élimination du virus. En caricaturant : un vaccin va permettre au corps de déclencher une réponse immunitaire et de produire des anticorps dont certains seront bloquants, alors que la thérapie par anticorps monoclonaux consiste à bombarder directement le corps avec 1 ou une combinaison d'anticorps monoclonaux bloquants.

Le critère de considérer uniquement la concentration totale d'anticorps anti-SARS-Cov2 dans le sang est donc sans grand intérêt. Il faut déterminer la quantité d'anticorps bloquants ou la capacité de neutralisation du sérum. D'autant plus que des études montrent la possibilité d'une facilitation de l'infection par des anticorps ou ADE (billet précédent).

 

  • Qu'est-ce qu'une mutation ?

Les virus mutent en permanence et la plupart du temps, ces changements n'ont pas de conséquences biologiques. Plusieurs milliers de mutations ont été détectées dans le génome du SARS-Cov2,  dont plus de 4000 sur la séquence codant pour la protéine Spike.

La cellule infectée "recopie" l'ARN viral. Une mutation (génétique) est une erreur de copie. Les mutations peuvent avoir lieu  :

  • dans des régions non codantes et donc sans conséquence sur la protéine.
  • dans des régions codantes mais sans conséquence sur la protéine car le code génétique est redondant. Par exemple la mutation a transformé un codon UUU (code pour acide aminé phénylalanine) en UUC (code aussi phénylalanine). Ca s'appelle une mutation silencieuse.
  • dans des régions codantes avec modification de la séquence protéique. Par exemple la mutation a transformé un codon UUU (phénylalanine) en UUA (leucine). Si cette mutation a lieu dans des régions importantes pour l'activité de la protéine, évidemment cela aura des conséquences sur la biologie du virus. C'est une mutation non-silencieuse.

 

  • Qu'est-ce qu'un variant ?

Il existe de nombreux variants mais on parle en particulier des variants britannique (B117), sud-africain (B1351) et brésilien (B1128). Par exemple, aux Etats-Unis, on commence à suivre les variants B1526 (New-York) ou B1427/9 (Californie).

Tous ces variants portent des mutations sur tout le génome viral mais ne sont d'intérêt que les mutations non-silencieuses dans Spike (en vert). En vert gras, sont précisées les mutations considérées comme problématiques, en particulier dans le RGB.

Variants d'intéret avec les mutations © Alan Emrey Variants d'intéret avec les mutations © Alan Emrey

  • Mutation D614G, je vous en avais parlé l'été dernier. Depuis mars 2020, elle était devenue la forme pandémique majoritaire de par le monde et a une transmissibilité supérieure à la souche initiale.
  • Mutation E484K : moins sensible à la neutralisation par des séra de personnes guéries (immunisées par infection)
  • Mutation N501Y : 1 des 6 acides aminés essentiels dans la liaison avec ACE2. Cette mutation augmente l'affinité de Spike pour ACE2
  • Mutation P681H : située juste à côté du site de clivage, effet sur infectiosité ?
  • Mutation K417N/T : augmente l'affinité de Spike pour ACE2
  • Délétion H69/Y70 : augmente infectiosité

Le variant B117 est 30-50% plus transmissible et 30-100% plus mortel. Pour B1351 et B1128, nous ne savons pas encore.

 

Que signifie évasion immunitaire ?

Les mutations présentes sur le variant lui permettent de ne plus être reconnu par la réponse immunitaire développée par une personne vaccinée ou précédemment infectée par une autre souche. Notamment car les anticorps bloquants développés contre Spike grâce à la vaccination (ou infection précédente) ne reconnaissent pas le Spike muté (ou moins bien - affinité réduite).

Concernant le variant britannique B117, les tests de neutralisation des séra de personnes vaccinées par les vaccins Pfizer, Moderna, Astrazeneca, J&J ou Novavax ou précédemment infectées montrent une diminution du pouvoir neutralisant (plus ou moins un facteur 2) par rapport à la neutralisation de la souche initiale. Cette diminution mesurée en laboratoire n'affecte pas la protection des personnes, elles sont protégées. Ce variant n'a pas de mutations lui permettant de réellement échapper à l'immunisation.

Concernant les variants B1351 et B1128, les tests de neutralisation en laboratoire montrent une diminution de 5 à 10 fois du pouvoir neutralisant selon le vaccin utilisé (ou si la personne a été précédemment infectée) par rapport à la neutralisation de la souche initiale. Cela signifie une protection peu efficace. Effectivement, en essai clinique, le vaccin d'Astrazeneca a été testé en Afrique du Sud (donc en présence du B1351) et ne confère qu'une efficacité de prévention de l'ordre de 22% chez des personnes jeunes. Par contre, les vaccins Moderna et Pfizer n'ont pas été testés (en quoi serait-ce différent d'Astra puisque tous ces vaccins ciblent le Spike de la souche initiale ?). Il est important de noter que le vaccin J&J procurerait une protection sur les cas sévères (efficacité >80%), ce qui est une bonne nouvelle.

Quant à l'anticorps monoclonal REGN10933 récemment arrivé sur le marché, il échoue à neutraliser le variant B1351 à cause des mutations K417N et E484K.

Situation sur le terrain : alors qu'une bonne partie de la population au Brésil avait été infectée (immunisée) par la souche initiale, aujourd'hui les cas flambent et la mortalité aussi. Ces variants se propagent maintenant dans le reste du monde, y compris en Europe et en France. En 3 mois, nous sommes passé de 100% de la souche initiale à seulement 19,4% sur l'ensemble de le France. Sur les données du 8 mars 2021, on constate que (1) que le variant britannique est majoritaire en France dans plus de 80% des départements (plus contagieux et plus mortel), (2) les variants sud-africain et brésilien sont également bien présent sur le territoire, (3) les endroits où le britannique est moins présent sont les endroits où les variants brésilien et sud-africain flambent.

Pourcentage de tests positifs pour les variants au 8 mars 2021 © Alan Emrey avec données de Geodes Santé Publique France Pourcentage de tests positifs pour les variants au 8 mars 2021 © Alan Emrey avec données de Geodes Santé Publique France

Lorsqu'on parle de vacciner les gens pour faire baisser la circulation virale et de rouvrir les restaurants et partir en vacances comme si de rien n'était alors qu'à présent les variants résistants sud-africain et brésiliens progressent, ça ressemble à une mauvaise blague.

 

Références pour l'élaboration de ce billet :

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ainsi que la littérature scientifique déjà citée dans mes billets précédents.

 

Bonus: Pour ceux qui ont lu la liste des références, vous noterez que pour rédiger ce billet de "biologie", j'ai principalement cité des papiers dans Nature, Cell et Science, les journaux scientifiques par excellence. Ce n'est pas un billet de compilation d'études cliniques. Ici, pas des publications d'études statistiques style Lancet ou NEJM. C'est la différence entre la recherche fonadmentale pour comprendre un phénomène et la recherche "appliquée" pour sortir des chiffres à tout prix.

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