從分子互作水平解讀為何新冠突變體傳染能力增強

繁殖不息，突變不止，進化不斷——這個是所有物種的共性，尤其是已經(jīng)肆虐了一年多的新冠病毒。病毒的突變不一定會使得病毒自身毒性更強，但往往會導致傳染能力更強。新冠病毒S蛋白與人受體ACE2的分子結合能力是決定病毒傳染能力強弱重要的因素之一。一個新冠病毒突變株的氨基酸突變點非常多，但是最值得關注就是那些位于S蛋白與人受體ACE2的結合部分（RBD結構域）的突變，可以直接影響其與受體的結合親和力，從而改變其感染能力。
 
在2021年2月，CNS連續(xù)發(fā)表了多篇關于新冠病毒突變株的研究，發(fā)現(xiàn)這些突變株的傳染能力增強了。他們的技術路線都是從檢測S蛋白和受體的結合親和力開始，都采用了基于生物層干涉技術的Octet互作分析系統(tǒng)。因此陳老濕給大家好好聊聊“從分子互作水平解讀，為何新冠突變體傳染能力增強？”
 

G614突變株與人受體親和力
G614（新冠病毒S蛋白614位點D突變成G）突變體毒株于去年2月22日前后在歐洲出現(xiàn)。3月1日之前，歐洲地區(qū)以外的其他地區(qū)很少發(fā)現(xiàn)這一類型突變體毒株，但此后，G614突變體便在全球范圍內(nèi)迅速擴散，成為目前傳播感染的主要病毒類型。 瑞士病毒與免疫學研究所、德國弗里德里希-勒夫勒研究院和美國疾病控制與預防中心的研究人員通過分子結合水平和動物模型，揭示了為什么D614G變體能夠比野生型病毒在傳染性方面更占優(yōu)勢。相關研究結果于近期在線發(fā)表于Nature期刊[2]。
 
分子水平的檢測主要是通過生物層干涉技術（BLI）檢測614D野生型及614G突變體刺突蛋白（S蛋白）與hACE2的結合能力，結果發(fā)現(xiàn)S-614G與hACE2的親和性比S-614D高出2倍左右。  
 
不同溫度下G614突變株與人受體親和力
日本國家傳染病研究中心的科學家也得到了類似的結論。研究人員的工作非常細致，分析了不同溫度下的結合親和力。相比其他Octet機型，RED96e系統(tǒng)有降溫功能，使得溫度控制更精確。該課題組也發(fā)現(xiàn)了S-614G與hACE2的親和性和S-614D差異在2倍左右�。ㄍ瑯釉�30℃檢測）。研究結果發(fā)布于Nature Communication期刊【3】。 用AHC傳感器固化Fc-ACE2與S蛋白進行結合解離。614G的親和力在不同溫度下均高于614D。隨著溫度升高，親和力逐漸減弱。

雖然兩篇文章在Octet上使用的同樣方法（AHC傳感器固化ACE2檢測S蛋白），絕對的親和力略有差異，原因可能是所用的S蛋白不一樣——前者用的是S1亞基，而后者是全長S蛋白，不過野生和突變株的親和力差異均是2倍左右。
 

分子結合親和力是否可以驗證新冠突變體的感染能力？
前面一篇Nature文章做了一個很有意思的實驗。首先用1:1混合的S-614D及S-614G病毒對倉鼠和水貂進行感染實驗。過了兩天后發(fā)現(xiàn)，614G就成為體內(nèi)的主要病毒株了。不同溫度下的親和力結果也證明，隨著溫度升高，新冠病毒感染能力減弱的事實。說明分子結合親和力水平的變化和功能學實驗的結果具有一致性！ 倉鼠攻毒實驗，2天后614G成為毒株
 
 
英國–B.1.1.7，南非–B.1.351突變株的親和力增強會降低中和抗體的效果
去年年底，又涌現(xiàn)出了英國–B.1.1.7，南非–B.1.351等突變株，前者在S蛋白與ACE2結合結構域的突變位點為N501Y，后者除了N501Y，還有K417N和E484K兩個位點。牛津大學的研究人員在Cell上發(fā)表了兩篇背靠背的文章【4】【5】，用Octet系統(tǒng)檢測了這些突變株的S蛋白與人受體ACE2的親和力，結果發(fā)現(xiàn)這些突變體的結合親和力都變強了！ AR2G傳感器固化S RBD，與ACE2結合解離。B.1.1.7（501Y）的親和力比N501高了19倍，主要體現(xiàn)在解離速率的差異。WT RBD (501N)-ACE2: KD 75.1nM (Kon 3.88E4 /Ms, Koff 2.92E-3 /s), RBD (501Y)-ACE2: KD 10.7 nM (Kon 6.38E4 /Ms, Koff 6.85E-4/s)
  AR2G傳感器固化S RBD，與ACE2結合解離。B.1.351的親和力比original高了19倍，比B.1.1.7高了2.7倍，主要體現(xiàn)在解離速率的差異。B.1.351:KD=4.0 nM, Kon 4.78E4 /Ms；Koff 1.93E-4 /s
 
這兩篇Cell文章的發(fā)現(xiàn)表明讓人擔心的事情終于出現(xiàn)了！這些突變都降低了中和抗體對這些病毒中和能力，就是說以前的疫苗或者中和抗體藥物可能不起作用了。 Octet檢測發(fā)現(xiàn)，很多中和抗體對突變株的結合明顯變?nèi)趿�，其中包含一些正在研發(fā)甚至上市的抗體藥物（研發(fā)人員哭暈在廁所）。
 
當然，作者還解析了S蛋白突變體的結構，并從分子結構水平論述了與ACE2親和力增強的原因。
 

陳老濕曰
任何研究都是通過現(xiàn)象研究本質(zhì)。新冠的傳播能力增強是現(xiàn)象，而本質(zhì)之一就是通過分子互作的研究發(fā)現(xiàn)蛋白的結合能力發(fā)生了變化。這點在新冠病毒侵染機制和藥物研發(fā)上體現(xiàn)得淋漓盡致。目前有近40篇關于新冠的CNS和600多篇其他文章用到了BLI技術，包括各種小分子中和抗體、疫苗以及機制研究等。其實除了這里介紹的兩篇Cell文章，牛津大學近期還發(fā)表一篇關于新冠病毒中和抗體表位研究的文章[6]，用Octet RED96（8通道系統(tǒng)）完成了4000多對抗體的表位分型工作（epitope binning）。
 
陳老濕估摸，像牛津大學、各國CDC以及傳染病研究中心等新冠研究單位的Octet都在日夜連軸轉(zhuǎn)。如果覺得通量不夠，陳老濕力薦Octet高通量系統(tǒng)：Octet RED384（16通道）和Octet HTX（96通道）。


 


-參考文獻-
[1]Tracking Changes in SARS-CoV-2 Spike: Evidence that D614G Increases Infectivity of the COVID-19 Virus.Cell
[2]SARS-CoV-2 spike D614G change enhances replication and transmission.Nature 2021.
[3] SARS-CoV-2 D614G spike mutation increases entry efficiency with enhanced ACE2-binding affinity.nature communication.
[4] Evidence of escape of SARS-CoV-2 variant B.1.351 from natural and vaccine induced
Sera.Cell,2021
[5] Reduced neutralization of SARS-CoV-2 B.1.1.7 variant by convalescent and vaccine sera.Cell,2021
[6] The antigenic anatomy of SARS-CoV-2 receptor binding domain.Cell,2021