Prediction and mitigation of mutation threats to COVID-19 vaccines and antibody therapies
Notice bibliographique
Résumé
Antibody therapeutics and vaccines are among our last resort to end the raging COVID-19 pandemic. They, however, are prone to over 5,000 mutations on the spike (S) protein uncovered by a Mutation Tracker based on over 200,000 genome isolates. It is imperative to understand how mutations would impact vaccines and antibodies in the development. In this work, we study the mechanism, frequency, and ratio of mutations on the S protein. Additionally, we use 56 antibody structures and analyze their 2D and 3D characteristics. Moreover, we predict the mutation-induced binding free energy (BFE) changes for the complexes of S protein and antibodies or ACE2. By integrating genetics, biophysics, deep learning, and algebraic topology, we reveal that most of 462 mutations on the receptor-binding domain (RBD) will weaken the binding of S protein and antibodies and disrupt the efficacy and reliability of antibody therapies and vaccines. A list of 31 vaccine escape mutants is identified, while many other disruptive mutations are detailed as well. We also unveil that about 65\% existing RBD mutations, including those variants recently found in the United Kingdom (UK) and South Africa, are binding-strengthen mutations, resulting in more infectious COVID-19 variants. We discover the disparity between the extreme values of RBD mutation-induced BFE strengthening and weakening of the bindings with antibodies and ACE2, suggesting that SARS-CoV-2 is at an advanced stage of evolution for human infection, while the human immune system is able to produce optimized antibodies. This discovery implies the vulnerability of current vaccines and antibody drugs to new mutations. Our predictions were validated by comparison with more than 1,400 deep mutations on the S protein RBD. Our results show the urgent need to develop new mutation-resistant vaccines and antibodies and to prepare for seasonal vaccinations.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,003 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».