【新冠专栏】Cell重磅：结构生物学研究揭示Omicron突变株传染性和免疫逃逸增强的分子机理

1月25日，中科院生物物理所王祥喜教授团队在Cell杂志发表了题为《Structural and functional characterizations of altered infectivity and immune evasion of SARS-CoV-2 Omicron variant》的重磅文章，利用冷冻电镜技术解析了Omicron Spike Trimer抗原以及Spike Trimer与ACE2受体的复合物机构，通过结构分析及生化实验对上述问题进行了解答。

研究人员首先通过体外重组表达出处于Prefusion状态的Omicron Spike Trimer，并使用冷冻电镜技术分别在正常生理pH7.5和胞内体pH5.5的条件下解析了Spike Trimer的结构(图1)。结构表明两种pH环境下Omicron Spike蛋白的空间构象几乎相同，有1个RBD处于“up”的构象，有2个RBD处于“down”的构象，而WT及其它VOC毒株的Spike Trimer除了上述这种空间状态，还存在3个RBD全部处于“down”构象的状态。

图1. Omicron Spike Trimer在pH7.5和pH5.5条件下的空间三维结构

通过对比Omicron和Delta两种突变Spike蛋白的结构发现，因为Omicron Spike蛋白上新出现的突变位点增加了“up”构象RBD与“down”构象RBD间的亲水和疏水相互作用，因此这两种构象的RBD空间距离更近，相互作用面积更大，提供了Omicron Spike蛋白只存在一种空间结构状态的解释。此外，Omicron Spike Trimer中不同单体的S1及S2亚基相互作用面积更大，使得Spike Trimer整体结构显得更为“紧凑”，蛋白的稳定性有所提升。不仅如此，生化实验结果也显示出Omicron Spike蛋白的热稳定性要高于WT及Delta的Spike蛋白(图2)。   

图2. Omicron的Spike Trimer稳定性高于WT及Delta

Spike蛋白的稳定性增加会提高识别受体ACE2的效率，但同时也会降低随后的病毒囊膜与宿主细胞膜的融合效率。通过体外添加Trypsin和ACE2处理不同毒株的Spike蛋白，并用复染电镜观察到Omicron Spike蛋白由识别受体ACE2的Prefusion构象转化成介导膜融合的Postfusion构象的占比低于WT及Delta Spike蛋白(图3)。

图3. 体外添加Trypsin和ACE2处理Prefusion构象的Spike蛋白结果

根据之前的文献报道，多款已获得FDA批准的商业化新冠中和抗体对Omicron突变株几乎失去中和活性，比如再生元的REGN10933和REGN10987；礼来的LY-CoV555和LY-CoV016；阿斯利康的AZD1061和AZD8895。通过结构分析发现，Omicron Spike蛋白NTD和RBD区域新出现的氨基酸缺失或突变导致抗原表位发生很大的变化，从而导致了很多中和抗体对Omicron丧失中和活性，例如RBD上的S477N，T478K，E484K，Q493R，G496S，Q498R，N501Y，Y505H等。

之前的研究通过分析PDB数据库中已解析的新冠中和抗体与RBD抗原复合物的结构，根据RBD上的抗原结合表位不同将中和抗体分成I-VI类¹。本研究检测了这6类共18株抗体中和WT和Omicron假病毒的能力，结果显示尽管V类抗体的中和活性较弱，但受到Omicron突变的影响不大，而其余5类抗体对Omicron的中和能力显著低于WT，这也解释了为何商业化的中和抗体对Omicron的中和活性出现了大幅下降(图4)。

图4. I-VI类抗体对Omicron突变毒株的中和活性检测结果

研究人员利用SPR方法对Omicron RBD蛋白与ACE2的亲和力进行检测，发现其结果比WT RBD高出2.8倍。通过解析Omicron Spike Trimer与ACE2的空间三维结构，发现Omicron Spike蛋白上有2个处于“up”构象的RBD结合2个ACE2，Omicron中新出现的突变位点T478K，Q493R，G496S，Q498R等与ACE2的氨基酸形成相互作用，可提高Spike与ACE2的亲和力，但是K417N和E484突变存在降低了Spike与ACE2的结合，因此总体而言同其他突变毒株一样，Omicron的Spike蛋白与ACE2的亲和力有所增加(图5)。

图5. Omicron Spike蛋白与ACE2的复合物结构分析

研究人员还对利用ACE2识别并感染宿主细胞的β属冠状病毒的Spike蛋白序列进行了分析，发现有11个保守的氨基酸参与了与ACE2的结合，这些氨基酸可以分成I-IV组，I组包括6个非常保守的氨基酸G447, Y453, N487, Y489, T500，G502；II组包括5个性质接近的氨基酸Y449/F/H, F456/L, Y473/F, F486/L 和Y505H, III组包括5个不太保守的氨基酸G446/S/T, L455/S/Y, A475/P/S, G476/D和 G496/S, IV组包括5个高度变异的氨基酸 K417/V/N/R/T, E484/K/P/Q/V/A, Q493/N/E/R/Y, Q498/Y/H/R and N501/Y/T/D/S(图6)。其中I-II组氨基酸突变较少，推测可能这两组氨基酸对识别ACE2及维持Spike蛋白构象稳定有重要作用，而III-IV组氨基酸在VOC中都出现了突变。目前已报道一些中和抗体如XGv47, A23-58.1以及S2K146等识别的是I-II组氨基酸表位，因此这类中和抗体能够同ACE2竞争性结合Spike蛋白，并且抗原结合表位高度保守，有望成为治疗和预防Omicron及潜在新冠突变毒株的新一代抗体。

图6. β属冠状病毒Spike蛋白上参与结合ACE2的氨基酸分类

本研究利用冷冻电镜技术解析了Omicron Spike Trimer以及 Spike Trimer与ACE2的复合物机构，并通过结构分析及生化实验解释了Omicron传染性及免疫逃逸能力增强的分子机理，同时还通过序列比对发现RBD上2组非常保守的抗原结合表位，为广谱疫苗和中和药物的设计提供了理论依据。

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参考文献

1.   Wang, K. et al. A third dose ofinactivated vaccine augments the potency, breadth, and duration of anamnesticresponses against SARS-CoV-2. medRxiv (2021)