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Nature子刊:我国学者发现泛冠状病毒广谱中和抗体新机制

 abeycd 2022-07-04 发表于湖北

2022年6月30日,中科院分子细胞科学卓越创新中心、复旦大学上海医学院及上海市公共卫生临床中心合作,孙兵研究员、谢幼华研究员、徐建青研究员、陆路研究员、丁建平研究员与凌志洋副研究员领衔,在 Nature Microbiology 期刊在线发表了题为:Neutralization mechanism of a human antibody with pan-coronavirus reactivity including SARS-CoV-2 的研究论文。


该研究发现了一株泛冠状病毒广谱全人中和抗体——
76E1,其不仅能有效地中和 beta 冠状病毒属的 SARS-CoV-2 及其重要突变体毒株,还可以中和不同冠状病毒属的七种人类冠状病毒。

该抗体靶向冠状病毒表面刺突蛋白(Spike, S)上高度保守的 S2’ 酶切位点及融合肽区域。病毒结合受体 ACE2 过程促进该表位的暴露以及 76E1 抗体结合,进而抑制 S2’ 酶切及病毒包膜和宿主胞膜的膜融合,从而抑制病毒进入宿主细胞内,达到中和病毒的目的。

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冠状病毒分为 alpha、beta、gamma 和 delta 四个属。21世纪共爆发了三次高致病性人类冠状病毒流行,分别为 SARS-CoV、MERS-CoV 和 SARS-CoV-2,均归类于 beta 属。

除此之外,几种普通型冠状病毒也时常在人群中流行,导致无症状或轻型上呼吸道感染疾病,如 alpha 属的HCoV-229E 和 HCoV-NL63,beta 属的 HCoV-OC43 和 HCoV-HKU1。

2019年底爆发的 SARS-CoV-2 大流行对全球经济社会和人类健康造成重大威胁,SARS-CoV-2 突变株的不断出现及广泛传播也引起世界范围内的多轮流行。我国乃至全球已经接种的疫苗均基于 SARS-CoV-2 原始株开发,而突变体毒株已经逐渐对 SARS-CoV-2 原始株疫苗建立的免疫屏障产生了一定程度的逃逸作用,尤其是 Omicron 突变体所产生的免疫逃逸现象非常明显。因此,如何有效的应对 SARS-CoV-2 突变是目前应对疫情最紧迫的任务。另外,人类依然要面对未来爆发新的冠状病毒大流行的可能性。因此,开发有效的广谱抗冠状病毒的疫苗和药物有重大的社会需求

大量的临床实践已证明,单克隆抗体临床干预在预防和治疗病毒感染方面非常有效。虽然国内及国际上已有新冠单克隆抗体药物上市,然而大部分已经对 Omicron 等变异株失效或疗效显著降低。

针对不断出现的病毒突变株,一个亟待回答的科学问题是:是否能开发广谱中和SARS-CoV-2及其突变体的抗体?这种抗体亦能对不同冠状病毒属的人类冠状病毒有广谱中和作用?其广谱作用的机制是什么?

为了解决上述科学问题,研究者们首先用 SARS-CoV-2 S 胞外区蛋白作为诱饵,从新冠病毒感染的康复患者外周血 PBMC 中,分离了 S 蛋白特异性的记忆 B 细胞,通过基因工程技术获得单个记忆 B 细胞来源的抗体重、轻链基因,并表达制备成全人源抗体。通过 ELISA 结合实验和病毒中和实验,筛选到一株广谱中和抗体——76E1,其可以广谱结合并中和 SARS-CoV-2 及其突变体毒株,包括 Alpha、Beta、Kappa、Gamma、Delta 和 Omicron。

在 hACE2 转基因小鼠上的真病毒攻击实验表明,用 76E1 单抗预防和治疗 SARS-CoV-2 感染时,可显著减少体重下降和降低肺部病毒滴度。进一步,研究人员发现 76E1 单抗可以广谱结合并中和不同冠状病毒属的七种人类冠状病毒,包括 SARS-CoV、MERS-CoV、SARS-CoV-2、HCoV-229E、HCoV-OC43、HCoV-NL63 及 HCoV-HKU1。在乳鼠上进行的 76E1 预防和治疗 HCoV-OC43 真病毒感染实验表明,76E1 可以可显著减少体重下降和降低脑部病毒滴度。以上实验提示该抗体有潜在的临床应用价值。

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76E1在细胞水平对多种冠状病毒表现泛中和活性

为了进一步研究 76E1 单抗广谱中和冠状病毒的分子机制,研究人员解析了 76E1 Fab/抗原多肽的晶体结构,发现 76E1 单抗主要靶向 S 蛋白的 S2' 酶切位点和融合肽区域。丙氨酸突变实验进一步确认 R815、E819、D820、L822、F823、K825 是 76E1 的关键识别表位。序列比对发现,以上表位在四种冠状病毒属中高度保守,这是 76E1 广谱中和能力的分子基础。比较有意思的是,76E1 的关键识别表位在融合前三聚体 S 蛋白全部或部分隐藏。并且,76E1 Fab/ 抗原多肽晶体结构中的抗原多肽与融合前三聚体 S 蛋白中的相应多肽也展现出不一样的构象。同时,亲和力实验表明 76E1 难以识别融合前三聚体 S 蛋白,而 RBD 抗体却能很好的结合融合前三聚体 S 蛋白。以上提示 76E1 可能识别了三聚体 S 蛋白从融合前到融合后变构过程中的中间态构象。

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76E1和刺突蛋白三聚体结合机制

随后,研究者发现 S 蛋白结合受体 ACE2 过程促进了 S2' 酶切位点和融合肽的暴露,进而 76E1 结合该表位,从而抑制 S2' 酶切,阻断病毒包膜与宿主胞膜的膜融合过程,最终抑制病毒进入宿主细胞,中和病毒。冠状病毒利用这一策略来掩盖它们的融合过程中的敏感位点,从而限制抗体接触到这种敏感位点,并且仅在识别和感染宿主细胞时才将它暴露出来。

进一步的研究表明,76E1 在病毒感染后期具有很大的优势性,即在病毒结合宿主细胞受体后,阻断受体结合过程的 RBD 抗体失去中和活性,而 76E1依然可以中和病毒。利用以上原理,研究者发现 ACE2 蛋白与 76E1 单抗具有协同中和 SARS-CoV-2 的效果。同时,发现一些具有模仿 ACE2 功能的 RBD 抗体,如 CB6 等,与 76E1 也具有协同中和 SARS-CoV-2 的效果。这为基于抗体的抗病毒疗法提供新的升级版策略。

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76E1和CB6抗病毒协同作用

综上所述,该研究发现的单抗具有更宽的广谱中和活性,同时具有全新的中和机制。为应对 SARS-CoV-2 突变及未来新发冠状病毒爆发提供新的抗病毒策略,同时为新一代广谱冠状病毒疫苗的设计提供重要参考和理论依据。

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76E1抗体的作用机理

中科院分子细胞科学卓越创新中心孙晓玉博士后与伊春艳副研究员,复旦大学上海医学院朱园飞博士后、上海市公共卫生临床中心丁龙飞博士、复旦大学上海医学院夏帅青年研究员及中科院分子细胞科学卓越创新中心陈星尘博士后为该论文的共同第一作者。孙兵研究员、谢幼华研究员、徐建青研究员、陆路研究员、丁建平研究员及凌志洋副研究员为本文共同通讯作者。


论文链接
/articles/s41564-022-01155-3

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