上海藥物所聯(lián)合攻關(guān)新冠病毒奧密克戎變異株刺突蛋白及其與受體和抗病毒抗體的復(fù)合物結(jié)構(gòu)并揭示作用機(jī)制

2月8日，《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)和尹萬超團(tuán)隊(duì)與合作單位共同完成的題為“Structures of the Omicron Spike trimer with ACE2 and an anti-Omicron antibody”的最新成果。該研究解析了新冠病毒奧密克戎（Omicron）變異株刺突蛋白，以及分別結(jié)合其受體ACE2和廣譜抗新冠抗體JMB2002的高分辨冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，闡述了Omicron變異株傳播迅速和免疫逃逸的分子機(jī)制，并揭示了治療抗體JMB2002全新的作用機(jī)制，為廣譜抗新冠抗體的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了新思路。

由于新冠病毒遺傳載體是RNA，突變頻率高，已出現(xiàn)多種“令人擔(dān)憂的變異毒株”，不斷給全球疫情防控帶來新的挑戰(zhàn)。特別是最新出現(xiàn)的Omicron變異株，正在全球肆虐，引起了新一輪感染高峰。與近兩年發(fā)現(xiàn)的多種變異毒株不同，新冠病毒Omicron變異株突變位點(diǎn)數(shù)量多，在病毒刺突蛋白上的突變就多達(dá)37處。目前，有關(guān)這些突變?nèi)绾斡绊慜micron變異株的感染性以及導(dǎo)致免疫逃逸機(jī)制都不清楚。而近期的研究顯示，目前多種針對(duì)新冠病毒的中和抗體對(duì)Omicron變異株無效或效力顯著降低。因此，深入理解Omicron變異株的傳播和感染的分子機(jī)制，并開發(fā)針對(duì)Omicron變異株的特異性治療抗體迫在眉睫。

面對(duì)嚴(yán)峻的疫情防控形勢，中科院上海藥物所徐華強(qiáng)和尹萬超團(tuán)隊(duì)緊急攻關(guān)，迅速解析Omicron變異株刺突蛋白以及結(jié)合人源受體ACE2的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖1A和1B）。生化水平實(shí)驗(yàn)顯示，Omicron變異株刺突蛋白結(jié)合其受體ACE2相比于野生型有顯著的增強(qiáng)，提高近10倍；從解析的結(jié)構(gòu)可以觀察到Omicron變異株刺突蛋白三聚體內(nèi)相鄰RBD特異的相互作用，形成的RBD二聚體（圖1B），可以穩(wěn)定Omicron變異株的刺突蛋白特定的RBD處于開放的狀態(tài)；熱動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示，Omicron變異株的RBD高度靈活，且不穩(wěn)定，其熱溶解溫度降低超過5℃（圖1C），使得刺突蛋白更容易從閉合構(gòu)象向開放構(gòu)象轉(zhuǎn)換。Omicron變異株刺突蛋白R(shí)BD的相互作用及不穩(wěn)定性，促進(jìn)Omicron變異株刺突蛋白與ACE2的相互作用，從原子水平解釋了Omicron變異株傳染性增強(qiáng)的潛在機(jī)制。

▲圖1 Omicron突變株新冠病毒刺突蛋白結(jié)合受體ACE2的結(jié)構(gòu)。A展示Omicron突變株刺突蛋白結(jié)合ACE2結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)象；B為RBD-RBD二聚體，以及RBD結(jié)合ACE2的相互作用界面；C為刺突蛋白的熱穩(wěn)定分析實(shí)驗(yàn)。

同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)解析的結(jié)構(gòu)顯示，Omicron變異株刺突蛋白的大部分突變位點(diǎn)位于蛋白表面，包括多個(gè)抗原表位，這從結(jié)構(gòu)上解釋了Omicron變異株可以抵抗大部分中和抗體的分子機(jī)制。

在合作單位的支持下，徐華強(qiáng)和尹萬超團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了Omicron變異株刺突蛋白與特異性治療抗體JMB2002的結(jié)構(gòu)（圖2A-C）。該抗體已完成了一期臨床試驗(yàn)，具有較強(qiáng)的治療效果和較高的安全性。生化水平結(jié)合實(shí)驗(yàn)顯示，該抗體對(duì)Omicron變異株刺突蛋白的結(jié)合力是對(duì)野生型的4倍，展示出抑制Omicron變異株的潛力。從解析的復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Omicron變異株刺突蛋白三聚體內(nèi)相鄰RBD同樣存在特異的相互作用并形成穩(wěn)定的RBD二聚體（圖2D），這顯示RBD二聚體是Omicron變異株刺突蛋白一個(gè)特有的結(jié)構(gòu)特征，在其功能發(fā)揮中起到重要作用；結(jié)構(gòu)比較顯示，結(jié)合的JMB2002抗體阻礙受體ACE2的識(shí)別（圖2E），同時(shí)，JMB2002抗體片段以一種新的構(gòu)象結(jié)合在RBD的受體結(jié)合基序的背部，是一種新型作用機(jī)制的抗體（圖2F）。

▲圖2 Omicron變異株新冠病毒刺突蛋白結(jié)合抗體JMB2002的結(jié)構(gòu)。A展示JMB2002抗體結(jié)合Omicron變異株刺突蛋白的整體結(jié)構(gòu)；B為結(jié)合JMB2002抗體的結(jié)構(gòu)中Omicron變異株刺突蛋白的構(gòu)象；C為與JMB2002抗體結(jié)合的兩個(gè)RBD的結(jié)構(gòu)比較；D為JMB2002抗體結(jié)合Omicron變異株刺突蛋白的結(jié)構(gòu)中RBD-RBD的二聚體；E展示了結(jié)合的JMB2002抗體阻礙受體ACE2的識(shí)別；F為抗新冠病毒中和抗體的分類，JMB2002抗體為新型抗體，被歸為第五類。

上海藥物所尹萬超研究員、徐有偉博士、徐沛雨博士和博士后吳燦榮等為該研究的共同第一作者，徐華強(qiáng)研究員和尹萬超研究員等為該研究的共同通訊作者。該工作得到上海市市級(jí)重大科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委以及國家重大科技專項(xiàng)等的資助。

（上海藥物所徐華強(qiáng)課題組）