Functional characterization of the SARS-CoV-2 spike protein and syncytia formation. Caractérisation fonctionnelle de la protéine S du SARS-CoV-2 et de la formation de syncytia

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Rajah, Maaran Michael

Edité par CCSD -

The SARS-CoV-2 spike (S) protein is a highly antigenic viral fusogen that triggers viral entry upon interaction with cellular receptors and proteases. The S protein also facilitates the formation of syncytia which are large multinucleated cells formed through the fusion of individual cells. Several coronaviruses including the currently pandemic SARS-CoV-2 form syncytia. Severe cases of COVID'19 are associated with extensive lung damage and the presence of infected syncytial pneumocytes. Syncytia may represent a pathological substrate that contributes to viral dissemination, immune evasion, cytopathicity and the inflammatory response. Here we characterized the role of the SARS-CoV-2 S protein in mediating fusion. We show that SARS-CoV-2 induce syncytia when the S protein expressed on the cell surface interacts with the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor on the surface of neighbouring cells. The transmembrane protease serine 2 (TMPRSS2) protease further augments syncytia formation. Viral infection triggers the production of interferon (IFN) and subsequent expression of a wide array of interferon-stimulated-genes, including interferon-induced transmembrane (IFITM) proteins. IFITMs restrict the cellular entry of a broad spectrum of enveloped viruses, possibly by altering the biomechanically properties of the plasma membrane in ways that are unfavorable to fusion. We found that IFITMs effectively restrict SARS-CoV-2 S protein-mediated syncytia formation. However, this restriction is effectively reverted by the TMPRSS2 protease. As the pandemic progressed, the ancestral Wuhan strain has been replaced by SARS-CoV-2 variants containing several mutations within the S protein. We characterized the Alpha, Beta and Delta variant S proteins in terms of the syncytia formation potential. We report that they induce more fusion than the early D614G variant and the ancestral strain. The fusogenicity of the variants partly correlates with their ACE2 binding potential. The individual mutations associated with the variants differentially modulate syncytia formation. Mutations P681H, D1118H, and D215G augment cell-cell fusion while the antibody escape mutation E484K, K417N and '242-244 are restrictive. IFITMs effectively limit syncytia formation induced by variant S proteins. We also investigated the syncytia formatting potential of the commonly circulating coronaviruses. We found that hCoV-HKU1 S protein induces syncytia only when adjacent cells express catalytically active TMPRSS2. Human IFITM1 restricted HKU1 S mediated syncytia formation. However, mouse IFITM1 increased fusion. Interestingly, while TMPRSS2 accelerates syncytia formation by SARS-CoV-2 and counteracted the restrictive effects of IFITMs, it does not interfere with the restriction of HKU1-S fusion by IFITM1. In summary, we have characterized the mechanisms of S protein-mediated syncytia formation and its regulation by components of the humoral and innate immune response. Our results provide preliminary insights into the cytopathic effect and pathology induced by SARS-CoV-2 . La protéine de spicule (S) du SARS-CoV-2 est un fusogène viral hautement antigénique qui déclenche l'entrée virale lors de l'interaction avec les récepteurs et protéases cellulaires. La protéine S facilite également la formation de syncytia qui sont de grandes cellules multinucléées formées par la fusion de cellules individuelles. Plusieurs coronavirus, dont le SARS-CoV-2 actuellement pandémique, forment des syncytia. Les cas graves de COVID-19 sont associés à des lésions pulmonaires étendues et à la présence de pneumocytes syncytial infectés. Les syncytia peuvent contribuer à la dissémination virale, à l'évasion immunitaire, à la cytopathie et à la réponse inflammatoire. Ici, nous avons caractérisé le rôle de la protéine S du SARS-CoV-2 dans la médiation de la fusion. Nous montrons que le SARS-CoV-2 induit des syncytia lorsque la protéine S exprimée à la surface cellulaire interagit avec le récepteur de l'enzyme de conversion de l'angiotensine 2 (ACE2) à la surface des cellules voisines. La protéase transmembranaire sérine 2 (TMPRSS2) augmente aussi la formation de syncytia. L'infection virale déclenche la production d'interféron (IFN) et l'expression subséquente d'un large éventail de gènes, y compris les protéines transmembranaires induites par l'interféron (IFITM). Les IFITM restreignent l'entrée cellulaire d'un large spectre de virus enveloppés, possiblement en modifiant les propriétés biomécaniques de la membrane plasmique de manière défavorable à la fusion. Nous avons constaté que les IFITM restreignent efficacement la formation de syncytia médiée par la protéine S du SARS-CoV-2. Cependant, cette restriction est inversée par la protéase TMPRSS2. Au fur et à mesure de la progression de la pandémie, la souche ancestrale de Wuhan a été remplacée par des variants du SARS-CoV-2 contenant plusieurs mutations au sein de la protéine S. Nous avons caractérisé les protéines variantes S Alpha, Beta et Delta par rapport à leur potentiel de formation de syncytia. Nous démontrons que la protéine S de ces variants induisent plus de fusion que le variant précoce D614G et que la souche ancestrale. La fusogénicité des variants est en partie corrélée à leur potentiel de liaison à l'ACE2. De plus, les mutations individuelles associées aux variants modulent de manière différentielle la formation de syncytia. Les mutations P681H, D1118H et D215G augmentent la fusion cellule-cellule tandis que les mutations d'échappement aux anticorps E484K, K417N et '242-244 sont restrictives. Par ailleurs, les IFITM limitent efficacement la formation de syncytia induite par les protéines variantes S. Nous avons également étudié le potentiel de formation de syncytia des coronavirus communément en circulation. Nous avons constaté que la protéine S du hCoV-HKU1 induit des syncytia uniquement lorsque les cellules adjacentes expriment la TMPRSS2 sous sa forme catalytiquement active. Nous montrons aussi que l'IFITM1 humain restreint la formation de syncytia médié par la protéine S du hCov-HKU1 alors que l'IFITM1 murin augmente la fusion. Fait intéressant, alors que la protéase TMPRSS2 accélère la formation de syncytia médiée par le SARS-CoV-2 et contrecarre les effets restrictifs des IFITM, elle n'interfère pas avec la restriction de la fusion HKU1-S médiée par l'IFITM1. En résumé, nous avons caractérisé les mécanismes de la formation de syncytia médiée par la protéine S et sa régulation par des composants de la réponse immunitaire humorale et innée. Nos résultats fournissent ainsi des informations préliminaires sur l'effet cytopathique et la pathologie induite par le SARS-CoV-2

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