陈薇、西湖大学研究新冠中和抗体,或可有效避免病毒逃逸突变

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2020年05月10日 11:30:11
来源:澎湃新闻

在新冠肺炎疫情仍在全球多个国家蔓延的背景下,针对病毒抗体的认识与疫苗的研制十分紧迫。近日,陈薇院士与西湖大学周强实验室等团队合作,从新冠康复患者的血浆浆细胞中分离出抗体,并揭示了新冠病毒(SARSCoV-2)S蛋白与中和抗体复合物的高分辨率冷冻电镜结构。

该研究成果于当地时间5月8日发表在生物医学预印本平台bioRxiv上,题为“A potent neutralizing human antibody reveals the N-terminal domain of the Spike protein of SARS-CoV-2 as a site of vulnerability”。

研究团队包括军事科学院军事医学研究院、西湖大学浙江省结构生物学重点实验室、清华大学结构生物学高精尖创新中心等,研究通讯作者除周强外,还有中国工程院院士、军事科学院军事医学研究院研究员陈薇以及军事医学研究院的李建民。

值得一提的是,此前西湖大学周强实验室团队已经多次解析新冠病毒结构及其入侵人体机制,于2月世界首次成功解析病毒受体ACE2的全长三维结构以及病毒表面S蛋白与ACE2复合物的三维结构,帮助抗疫特效药研发。

而陈薇院士团队自新冠疫情之初就在加速进行其疫苗与抑制剂研究。据悉,我国已有三款疫苗进入临床试验阶段,其中陈薇院士团队研发的腺病毒载体疫苗首个获批进入临床研究,目前已经进入II期临床,是全球首个开展II期临床研究的新冠病毒疫苗品种。

陈薇、周强等团队本次新发表的研究分为两步:一是从康复了的新冠患者体内分离抗体,二是解析该抗体与新冠病毒S蛋白的复合物结构。

此前,在针对新冠病毒的研究中,药物设计主要靶向新冠病毒S蛋白的RBD(受体结合域)。但此次研究中,陈薇院士团队从S蛋白的N端结构域(NTD)入手,发现了一种名为4A8的抗体。经过多项实验检测,研究人员发现抗体4A8具有强病毒中和能力,可以明显抑制病毒的活性。

接下来,周强实验室利用冷冻电镜技术,解析了4A8抗体与新冠病毒S蛋白的高分辨率复合物结构,可以清楚看到二者的相互作用界面。

该研究发现了新冠病毒S蛋白的新的脆弱表位,为靶向S蛋白氮端结构域的药物设计和治疗策略提供了基础。同时,4A8作为一种抑制病毒侵染人体细胞能力较强的中和单克隆抗体,能够和作用于新冠病毒S蛋白其他区域的抗体联合使用,进而将提高新冠治疗的成功概率。

单克隆抗体4A8:病毒中和能力强

新冠病毒的S蛋白负责与受体结合入侵宿主,通常是药物研发的重要靶标。在感染过程中,S蛋白被宿主蛋白酶(如TMPRSS2)裂解为N端S1亚基和C端S2亚基,S1和S2分别介导受体结合和膜融合。

其中,S1包含N末端结构域(NTD)和受体结合结构域(RBD),在确定组织向性和宿主范围方面至关重要。在病毒入侵人体时,RBD会与人类受体ACE2(血管紧张素转化酶2)结合,而NTD的功能尚不清楚。此前的研究表明,中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)S蛋白的NTD可作为抗体中和的关键表位。

陈薇院士团队的研究人员从10名感染新型冠状病毒后康复病人的记忆B细胞和浆细胞中分离初筛抗体,获得了399种单克隆抗体。

研究人员在其中筛选出了35种S蛋白特异性抗体,并发现它们靶向新冠病毒S蛋白的至少4个抗原区。值得注意的是,在35种S蛋白特异性抗体中,只有4个识别RBD

接下来,研究人员在非洲绿猴肾细胞中进行了人体体外环境的抗原抗体亲和力检测,他们发现,在使用实时qPCR(实时荧光定量PCR)测试了用每种单克隆抗体处理的非洲绿猴肾细胞中活病毒的RNA载量后,抗体4A8的抑制能力比其他几种抗体高。

新冠病毒S蛋白与单克隆抗体4A8复合物的冷冻电镜结构图

研究人员随后又进行了抗体的假病毒(即无扩增能力,而保留了侵染能力的病毒)的中和实验,发现抗体4A8能够保护ACE2细胞,具有强病毒中和能力,可以明显抑制病毒的活性。

团队认为,4A8可能是治疗新冠病毒的潜在候选药物,因为4A8对SARS-CoV-2的活病毒与假病毒都体现出高水平中和能力

复合物冷冻电镜结构:靶向新冠S蛋白氮端结构域

为了研究抗体4A8和病毒S蛋白之间的相互作用,研究人员以3.1Å的整体分辨率解析了复合物的冷冻电镜结构。

新冠病毒S蛋白的N端结构域(NTD)和4A8重链的相互作用示意图,橙色部分代表病毒S蛋白NTD,蓝色和紫色部分为抗体4A8

研究显示,3个4A8分子与1个三聚体S蛋白结合,每个S蛋白单体中的NTD都能被4A8结合,且相互作用界面并无差别。然而值得注意的是,NTD与抗体4A8的结合在空间上不会影响S蛋白受体结合区域(RBD)的位置,也无法阻止RBD与细胞表面受体ACE2的结合。

4A8抗体通过重链与新冠病毒S蛋白的氮端结构域(NTD)相结合。在高分辨率的合物的结构中,研究人员解析了NTD结构域的3个柔性片段(loop环区,意为构象容易发生变化的区域),在之前解析的新冠病毒S蛋白的结构中,这部分序列因为其柔性而未被解析。

之后的结构分析发现,中和抗体4A8的可变区与其中的两个柔性片段(N2和N3)相互作用,因而稳定了该部分结构,交互界面由广泛的亲水相互作用网络构成。

研究人员表明,这些结果意味着,从人体B细胞中自然形成并分离的SARSCoV-2单克隆抗体在基因使用和病毒S蛋白的表位识别方面具有很大程度的多样性。值得注意的是,大多数康复患者体内分离出的单克隆抗体不能识别病毒S蛋白的RBD区域,并且所有能够中和活SARS-CoV-2的单克隆抗体都不能抑制病毒S蛋白与人体ACE2的结合。

这些结果表明,除了抑制病毒与受体的相互作用外,还存在其他重要的SARS-CoV-2中和机制,例如4A8抗体病毒S蛋白氮端结构域(NTD)相结合的中和方式。

研究人员推测,4A8可能通过抑制S蛋白的构象变化来中和SARS-CoV-2。总体而言,4A8是一种完全来自人体的新冠病毒中和单克隆抗体,可识别病毒S蛋白上的脆弱表位NTD,并具有独立于受体结合抑制的病毒中和机制。

研究人员最后指出,4A8与RBD靶向抗体的结合治疗方法可以有效避免病毒的逃逸突变,并有望成为一种“鸡尾酒”疗法,从此项研究中获得的信息将有利于开发针对SARS-CoV-2的疫苗及药物治疗方法。

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