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陳薇、西湖大學研究新冠中和抗體 或可有效避免病毒逃逸突變



在新冠肺炎疫情仍在全球多個國家蔓延的背景下,針對病毒抗體的認識與疫苗的研製十分緊迫。近日,陳薇院士與西湖大學周強實驗室等團隊合作,從新冠康復患者的血漿漿細胞中分離出抗體,並揭示了新冠病毒(SARSCoV-2)S蛋白與中和抗體複合物的高分辨率冷凍電鏡結構。

該研究成果於當地時間5月8日發表在生物醫學預印本平台bioRxiv上,題為“A potent neutralizing human antibody reveals the N-terminal domain of the Spike protein of SARS-CoV-2 as a site of vulnerability” 。

研究團隊包括軍事科學院軍事醫學研究院、西湖大學浙江省結構生物學重點實驗室、清華大學結構生物學高精尖創新中心等,研究通訊作者除周強外,還有中國工程院院士、軍事科學院軍事醫學研究院研究員陳薇以及軍事醫學研究院的李建民。

值得一提的是,此前西湖大學周強實驗室團隊已經多次解析新冠病毒結構及其入侵人體機制,於2月世界首次成功解析病毒受體ACE2的全長三維結構以及病毒表面S蛋白與ACE2複合物的三維結構,幫助抗疫特效藥研發。

而陳薇院士團隊自新冠疫情之初就在加速進行其疫苗與抑製劑研究。據悉,我國已有三款疫苗進入臨床試驗階段,其中陳薇院士團隊研發的腺病毒載體疫苗首個獲批進入臨床研究,目前已經進入II期臨床,是全球首個開展II期臨床研究的新冠病毒疫苗品種。

陳薇、周強等團隊本次新發表的研究分為兩步:一是從康復了的新冠患者體內分離抗體,二是解析該抗體與新冠病毒S蛋白的複合物結構。

此前,在針對新冠病毒的研究中,藥物設計主要靶向新冠病毒S蛋白的RBD(受體結合域)。但此次研究中,陳薇院士團隊從S蛋白的N端結構域(NTD)入手,發現了一種名為4A8的抗體。經過多項實驗檢測,研究人員發現抗體4A8具有強病毒中和能力,可以明顯抑制病毒的活性。

接下來,周強實驗室利用冷凍電鏡技術,解析了4A8抗體與新冠病毒S蛋白的高分辨率複合物結構,可以清楚看到二者的相互作用界面。

該研究發現了新冠病毒S蛋白的新的脆弱表位,為靶向S蛋白氮端結構域的藥物設計和治療策略提供了基礎。同時,4A8作為一種抑制病毒侵染人體細胞能力較強的中和單克隆抗體,能夠和作用於新冠病毒S蛋白其他區域的抗體聯合使用,進而將提高新冠治療的成功概率。

單克隆抗體4A8:病毒中和能力強

新冠病毒的S蛋白負責與受體結合入侵宿主,通常是藥物研發的重要靶標。在感染過程中,S蛋白被宿主蛋白酶(如TMPRSS2)裂解為N端S1亞基和C端S2亞基,S1和S2分別介導受體結合和膜融合。

其中,S1包含N末端結構域(NTD)和受體結合結構域(RBD),在確定組織向性和宿主範圍方面至關重要。在病毒入侵人體時,RBD會與人類受體ACE2(血管緊張素轉化酶2)結合,而NTD的功能尚不清楚。此前的研究表明,中東呼吸綜合徵冠狀病毒(MERS-CoV)S蛋白的NTD可作為抗體中和的關鍵表位。

陳薇院士團隊的研究人員從10名感染新型冠狀病毒後康復病人的記憶B細胞和漿細胞中分離初篩抗體,獲得了399種單克隆抗體。

研究人員在其中篩選出了35種S蛋白特異性抗體,並發現它們靶向新冠病毒S蛋白的至少4個抗原區。值得注意的是,在35種S蛋白特異性抗體中,只有4個識別RBD。

接下來,研究人員在非洲綠猴腎細胞中進行了人體體外環境的抗原抗體親和力檢測,他們發現,在使用實時qPCR(實時熒光定量PCR)測試了用每種單克隆抗體處理的非洲綠猴腎細胞中活病毒的RNA載量後,抗體4A8的抑制能力比其他幾種抗體高。

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新冠病毒S蛋白與單克隆抗體4A8複合物的冷凍電鏡結構圖

研究人員隨後又進行了抗體的假病毒(即無擴增能力,而保留了侵染能力的病毒)的中和實驗,發現抗體4A8能夠保護ACE2細胞,具有強病毒中和能力,可以明顯抑制病毒的活性。

團隊認為,4A8可能是治療新冠病毒的潛在候選藥物,因為4A8對SARS-CoV-2的活病毒與假病毒都體現出高水平中和能力。

複合物冷凍電鏡結構:靶向新冠S蛋白氮端結構域

為了研究抗體4A8和病毒S蛋白之間的相互作用,研究人員以3.1Å的整體分辨率解析了複合物的冷凍電鏡結構。

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新冠病毒S蛋白的N端結構域(NTD)和4A8重鏈的相互作用示意圖,橙色部分代表病毒S蛋白NTD,藍色和紫色部分為抗體4A8 。

研究顯示,3個4A8分子與1個三聚體S蛋白結合,每個S蛋白單體中的NTD都能被4A8結合,且相互作用界面並無差別。然而值得注意的是,NTD與抗體4A8的結合在空間上不會影響S蛋白受體結合區域(RBD)的位置,也無法阻止RBD與細胞表面受體ACE2的結合。

4A8抗體通過重鏈與新冠病毒S蛋白的氮端結構域(NTD)相結合。在高分辨率的合物的結構中,研究人員解析了NTD結構域的3個柔性片段(loop環區,意為構象容易發生變化的區域),在之前解析的新冠病毒S蛋白的結構中,這部分序列因為其柔性而未被解析。

之後的結構分析發現,中和抗體4A8的可變區與其中的兩個柔性片段(N2和N3)相互作用,因而穩定了該部分結構,交互界面由廣泛的親水相互作用網絡構成。

研究人員表明,這些結果意味著,從人體B細胞中自然形成並分離的SARSCoV-2單克隆抗體在基因使用和病毒S蛋白的表位識別方面具有很大程度的多樣性。值得注意的是,大多數康復患者體內分離出的單克隆抗體不能識別病毒S蛋白的RBD區域,並且所有能夠中和活SARS-CoV-2的單克隆抗體都不能抑制病毒S蛋白與人體ACE2的結合。

這些結果表明,除了抑制病毒與受體的相互作用外,還存在其他重要的SARS-CoV-2中和機制,例如4A8抗體病毒S蛋白氮端結構域(NTD)相結合的中和方式。

研究人員推測,4A8可能通過抑制S蛋白的構象變化來中和SARS-CoV-2。總體而言,4A8是一種完全來自人體的新冠病毒中和單克隆抗體,可識別病毒S蛋白上的脆弱表位NTD,並具有獨立於受體結合抑制的病毒中和機制。

研究人員最後指出,4A8與RBD靶向抗體的結合治療方法可以有效避免病毒的逃逸突變,並有望成為一種“雞尾酒”療法,從此項研究中獲得的信息將有利於開發針對SARS-CoV-2的疫苗及藥物治療方法。

(澎湃新聞記者 張若婷 賀梨萍)