Science | 奥密克戎免疫逃逸和受体参与的结构基础

原创 苏安 图灵基因 2022-02-12 10:38

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：苏安

IF：47.728

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亮点：

新冠病毒从2020年爆发开始至今已经肆虐全球2年，从起始的毒株到德尔塔毒株再到如今的奥密克戎毒株，新冠病毒在传播的过程中也在不断变异。目前大流行的毒株主要是奥密克戎，奥密克戎毒株的特别之处在于它具有38个突变位点，大量的突变位点对于奥秘克戎毒株在免疫系统的巡视下成功逃逸提供了结构基础，奥密克戎可逃逸大部分新冠病毒现有中和抗体。本文的研究人员通过冷冻电子显微镜和x射线晶体衍射的技术，测定了奥密克戎表面的刺突蛋白的结构，并向我们呈现了沙贝病毒单克隆抗体(mAb)S309（索曲维单抗的母体单抗）和人类ACE2受体结合的受体结合域图像，这些证据揭示了奥密克戎能够免疫逃逸的结构基础。

近期，在Science杂志上发表了一篇名为“Structural basis of SARS-CoV-2 Omicron immune evasion and receptor engagement”的文章，本文的研究人员利用结构生物学的研究技术：冷冻电镜和X射线晶体衍射，对奥密克戎的刺突蛋白进行了测定，并且呈现了沙贝病毒mAbS309和人类ACE2受体结合域的图像，证实了奥密克戎的结构对其免疫逃逸的重要基础作用，并且结合位点为新药的药物靶标设计提供了理论基础。

为了给观察到的奥密克戎免疫逃逸和受体识别的改变提供一个结构框架，研究人员测定了预融合稳定的SARS-CoV-2奥密克戎外域三聚体与S309和S2L20(NTD特异性外克隆抗体)片段结合的低温电子显微镜结构，奥密克戎RBD与人类ACE2复合物X射线晶体结构图，以及在2.85A分辨率单克隆抗体S309和S304的Fab片段X射线晶体图。奥密克戎NTD携带大量突变、缺失(del)和插入(ins)，包括A67V、del69-70、T95I、G142D、del143-145、del211、L212I和ins214EP。在图像中可以看到，S309识别抗原位点IV，而S304与位点IIc结合，并被用于协助结晶。此外，作者利用表面等离子体共振(SPR)评估了临床单克隆抗体与奥密克戎RBD和S外结构域三聚体的结合情况。低温电子显微镜数据的三维分类显示，在开放构象中存在一个或两个RBD，作者分别以3.1A和3.2A的分辨率确定了结构。与早期版本的新冠病毒中载脂蛋白和s309结合的情况对比，奥密克戎的开放RBD比例更大，这可能是由于奥密克戎突变或是与S2L20结合的结果。图1.奥密克戎S三聚体的低温电子显微镜结构。

为了解释它们的构象动力学，研究人员对s309结合的RBD(域B)和s2l20结合的NTD(域A)进行集中分类和局部细化，并将这些区域的局部分辨率分别提高到3.0和3.3A的分辨率。一般情况，大多数VOC在NTD、RBD和呋喃裂解位点之外只有少数突变，而奥密克戎却在这些区域之外有8个替换：T547K、H655Y、N764K、D796Y、N856K、Q954H、N969K和L981F，这些都可以在图中显示出来。其中三个突变引入了S2和S1亚基之间的原聚体静电接触：N764K结合Q314(域D)，S982结合T547K(在封闭rbd的域C)，N856K结合D568和T572。此外，N969K与Q755形成了前聚体间的静电接触，而L981F改善了前聚变构象中的前聚体内的疏水堆积。后一种突变接近美国部署的三种疫苗中使用的融合稳定2P突变(K986P和V987P)。OmickonS中S1和S2亚基之间的相互作用增强，融合前稳定，以及N679K和P681H突变导致的S1/S2切割位点的加工改变，可能会减少S1脱落，这提示我们，如果采取抑制S1亚基脱落的策略，就有可能增强疫苗或诱导抗体的效应功能活性，以及提高对奥密克戎S的治疗性单克隆抗体保持亲和力。图2.奥密克戎S结构域的突变

RBD是恢复期和接种疫苗个体血浆中和活性的主要靶点，包括几个被中和抗体识别的抗原位点。研究人员提供了在该变体中发现的残基替换的高分辨率图像，以及它们对临床单克隆抗体结合的影响。K417N、G446S、S477N、T478K、E484A、Q493R、G496S、Q498R、N501Y和Y505H突变是抗原位点I的一部分，该位点在以前的变异中具有免疫显性。K417N、E484A、S477N和Q493R会导致与REGN10933失去静电相互作用和空间碰撞，而G446S会导致与REGN10987的空间碰撞，这与奥密克戎RBD和S三聚体的结合一致。此外，据报道，N440K严重抑制REGN10987的中和。奥密克戎RBD与COV2-2196和COV2-2130的结合减少，可能来自T478K、COV2-2196，S477N，以及COV2-2130的G446S和E484A。将这些数据与中和分析相结合表明，尽管每个点突变只导致COV2-2196或cov2-2130介导的中和略有减少，但奥密克戎突变会导致更明显的活性损失。E484A消除了与LYCoV555重链和轻链的静电相互作用，而Q493R则通过空间位阻阻止结合。预计K417N会对奥密克戎RBD和LYCoV16重链形成的静电相互作用产生负面影响，从而取消结合。此外，S477N和Q493R已被证明可以抑制LY-CoV16介导的结合和中和作用。最后是K417N，E484A和Q493R通过空间位阻和静电接触重塑的结合阻碍CT-P59的结合，从而阻止结合。同时，奥密克戎RBD与S309结合的适度减少反映了该VOC相对于祖先病毒的中和能力降低了2-3倍。图3奥密克戎RBD的突变协助其实现免疫逃逸。

作者研究了奥密克戎RBD与人类ACE2的结合，其比早期新冠毒株的亲和力增强了2.4倍。并且作者呈现了人类ACE2与奥密克戎RBD晶体结合的结构图像，阐明了VOC中发现的RBD突变如何影响受体识别。N501Y突变能够单独增强ACE2，这可能由于增加形状互补，引入了酪氨酸侧链和ACE2Y41和K353侧链。正如之前观察到的N501与ACE2复合物中包含S结构，奥密克戎S残基Y501和ACE2残基Y41形成T型π-π堆叠作用。K417N突变使受体识别抑制约3倍，这可能是由于失去与ACE2D30的盐桥。Q493R和Q498R突变分别引入了两个新的E35和E38盐桥，取代了早期新冠病毒形成的氢键，从而重塑了与ACE2的静电相互作用。通过对酵母显示的SARSCoV-2RBD的深度突变扫描研究，这两种个体突变都略微降低了对ACE2的结合亲和力。最后，S477N导致引入的天冬酰胺侧链与ACE2S19主胺和碳基之间形成新的氢键。总的来说，这些突变对奥密克戎RBD与人类ACE2的结合具有净增强效应，表明结构上位性使免疫逃逸。图4.奥密克戎RBD识别人类ACE2的分子机制

作者的这项工作揭示了奥密克戎广泛逃避体液免疫的分子基础，并强调了奥密克戎突变的可塑性，以及靶向保守表位在疫苗和治疗方法的设计和开发中的重要性，有助于解决当前疫情大流行。与此同时，奥密克戎病毒是沙贝病毒中的一个分支，这些结论同时也为沙贝病毒疫苗的广泛设计铺平了道路。

教授介绍：

David Veesler

David Veesler 美国华盛顿大学生物化学系的副教授，他的团队专注于研究传染病的结构生物学，主要研究兴趣是解决具有生物学意义的大分子机器的结构，以了解其功能背后的机制。他们主要使用涉及冷冻电子显微镜和X射线晶体学的多学科方法，并辅以各种生化和生物物理技术，以获得从原子到全细胞的多尺度数据。

参考文献：

Matthew McCallum et al. Structural basis of SARS-CoV-2 Omicron immuneevasion and receptor engagement[J].Science. 2022 Jan 25