奧密克戎變異株亞型的最新研究進展

黃 俊，馬學鋒，邵慧娟，李 娜，于曉輝，張久聰

（1. 中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九四〇醫(yī)院消化內(nèi)科，甘肅蘭州 730050；2. 甘肅中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院，甘肅蘭州 730030）

2019 年底由新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）引起的新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，CO?VID-19），已經(jīng)成為全球性重大公共衛(wèi)生事件，截止2022 年3 月29 日，全球確診人數(shù)已經(jīng)超過4.8 億例，死亡人數(shù)累計超過612 萬［1］。新冠病毒在傳播的過程中發(fā)生了進化和變異，已經(jīng)形成了多個變異株。2021 年11 月9 日，南非首次從病例樣本中檢測到一種新冠病毒變異株（B.1.1.529），11 月26 日，世界衛(wèi)生組織將其命名為奧密克戎（Omicron）變異株，并被定義為繼阿爾法（Alpha）、貝塔（Beta）、伽馬（Gamma）、德爾塔（Delta）之后的第5 種“關切變異株（variant of concern，VOC）”，該變異株具有大量突變，并導致了COVID?19 流行病學的有害變化，目前這種新變體現(xiàn)已在128 個國家傳播，成為全球主要流行株。Omicron 由幾個遺傳相關的亞系組成，包括BA.1、BA.2 和BA.3［2］。自2022 年1 月起，BA.1 已經(jīng)代替Delta 成為全球主要的傳播毒株，而最近，BA.2 的比例相對于BA.1 一直在增加，截至2022 年2 月14 日，BA.2 已在數(shù)十個國家和地區(qū)成為主要流行毒株，包括丹麥、印度、菲律賓、文萊等。Omicron 具有高度傳播性，能夠逃脫免疫系統(tǒng)的防御，且冠狀病毒疫苗對Omicron 變異株的有效性較低［3］。Omicron 變異株的亞型具有不同的突變位點、傳播力，因此，盡早了解新冠病毒奧密克戎變異株的亞型及其免疫逃逸的機制，對公共衛(wèi)生及疫情的防控至關重要。本文將奧密克戎變異株各亞型的特點和免疫逃逸的機制做一簡要綜述。

1 SARS?CoV?2 的結構與病原學

SARS?CoV?2 病毒是一種正義單鏈RNA 病毒，屬于β 屬冠狀病毒，有包膜，呈直徑100～160 nm 的球形顆粒。SARS?CoV?2 病毒的基因組長度約3 萬個核苷酸左右，有5′?UTR、3′?UTR 兩個非翻譯區(qū)和6 個開放閱讀框（open reading frame，ORF），第一個開放閱讀框ORF1a/b 在5'端，負責編碼非結構蛋白，其余ORF 編碼輔助蛋白和4 種必需的結構蛋白，結構蛋白包括刺突蛋白（spike protein，S 蛋白），包膜蛋白（envelope protein，E 蛋白）、膜蛋白（mem?brane protein，M 蛋白）和核衣殼蛋白（nucleocapsid protein，N 蛋白）。M 蛋白參與病毒包膜的形成，E蛋白負責病毒粒子的產(chǎn)生和釋放，N 蛋白參與病毒的復制周期［4，5］。S 蛋白包括S1 和S2 兩個亞基，S1上包含負責識別宿主細胞受體的N 端結構域（N?terminal domain，NTD）和受體結合結構域（re?ceptor-binding domain，RBD），RBD 可以結合宿主細胞膜上的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（ACE2）受體，導致S2 的構象變化，進而促進病毒和宿主細胞膜融合，病毒的基因組RNA 進入宿主細胞［6］。S 蛋白是病毒傳播和免疫逃逸的關鍵決定因素，其結構的變異可以改變病毒的傳染力和發(fā)生免疫逃逸［7］。目前S蛋白及其所含RBD 區(qū)域仍然是疫苗和單克隆抗體開發(fā)的主要靶點［8］。

2 奧密克戎變異株的亞型

Omicron變異株主要分為3個亞型，B.1.1.529.1、B.1.1.529.2 和B.1.1.529.3，分別名為BA.1，BA.2 和BA.3。它們是從同一個B.1.1 節(jié)點分支出來的，沿著獨立的分支進化［9］。

2.1 奧密克戎BA.1 亞型的特點

BA.1 亞型最早于2021 年11 月9 日在南非首次被檢測到，在隨后的1 周內(nèi)，在南非以外的30 多個國家和地區(qū)發(fā)現(xiàn)了近300 例Omicron 病例，此變異株迅速被世界衛(wèi)生組織列為VOC，并在2021 年1 月代替Delta 毒株成為了全球主要的傳播毒株。目前BA.1 已在100 多個國家傳播，仍然是全球范圍內(nèi)報告的最常見的亞型［10］。

相比德爾塔變異毒株及原始毒株，BA.1 在人體支氣管組織內(nèi)的復制速度約快70 倍，傳播性更高。以色列衛(wèi)生部發(fā)布新聞，表示Omicron 變異株的傳染性比Delta 高約30%［11］。Hui 等［12］通過比較BA.1亞型和以前的變異株在人支氣管和肺的離體外植體培養(yǎng)物中的復制能力，發(fā)現(xiàn)與以前的變異株相比，Omicron BA.1 在人支氣管中具有更快和更高的病毒復制效率，這表明它具有更強傳播的能力，與Delta 相比，BA.1 在人類肺部的復制能力較低，可能是感染Omicron 的患者以無癥狀或輕癥狀為主的原因。Migueres 等［13］通過對比Omicron 變異株和Del?ta 變異株的病毒學特征，發(fā)現(xiàn)Omicron 更具傳染性，并不是因為鼻咽部的病毒脫落更大，而主要是S 蛋白突變引起的。Omicron RBD 的突變可以增強與ACE2 受體的親和力，之間產(chǎn)生強烈的靜電相互作用（鹽橋）和氫鍵，形成穩(wěn)定的復合物，為Omicron 的高傳播力提供了新的依據(jù)［14］。

BA.1 在編碼和非編碼區(qū)域共攜帶至少60 個突變，其S 蛋白中至少有37 個突變（包括30 個氨基酸取代，3 個缺失和1 個插入），30 種氨基酸取代中有15 種位于RBD 區(qū)域，其中5 種（G446S、Q493R、G496S、Q498R、Y505H）已被證實可以增強與ACE2 受體的結合力和免疫逃逸［15，16］。Desingu等［17］通過分析3 種亞型的S 蛋白，發(fā)現(xiàn)在BA.1 譜系S 蛋白中共有37 個突變，其中有21 個突變（G142D、G339D、S373P、S375F、K417N、N440K、S477N、T478K、E484A、Q493R、Q498R、N501Y、Y505H、D614G、H655Y、N679K、P681H、N764K、D796Y、Q954H、N969K）是3 個譜系共有的常見突變，還發(fā)現(xiàn)了BA.1 譜系的16 個特征突變（ins214EPE、S371L、G496S、T547K、N856K、L981F，、A67V、H69del、V70del、T95I、V143del、Y144del、Y145del、N211I、L212Idel、G446S）。BA.1 的其他結構蛋白也存在突變，包括E 蛋白中的T9I，M 蛋白中的D3G、Q19E 和A63T，以及N 蛋白中的許多缺失（E31?、R32?、S33?）和突變（P13L、R203K 和G204R）［18］。

已有研究表明BA.1 亞型S 蛋白中的H655Y、N679K、P681H 突變可以增加病毒進入宿主細胞的能力，使病毒具有更高的傳播性，S317L（BA.1 的特征突變），N501Y、S373P、S375F、E484A、Q498R 和T478K 突變可加強病毒與ACE2 受體的相互作用，此外，N 蛋白中的R203K 和G204R 突變與病毒載量增加有關［17，19，20］。BA.1 亞型是最初發(fā)現(xiàn)的Omicron變異株亞型，其相對于以前的變異株存在大量的突變，導致BA.1 的高傳播性，迅速成為全球主要流行株。

2.2 奧密克戎BA.2 亞型的特點

2021 年11 月17 日BA.2 亞型在南非被發(fā)現(xiàn)，2021 年12 月中旬前，根據(jù)各國上傳到GISAID 平臺的新冠病毒基因組數(shù)據(jù)，BA.1 一直是主要的Omi?cron 譜系，BA.2 還非常罕見。截至2022 年2 月14日，BA.2 已在數(shù)十個國家和地區(qū)成為主要流行毒株，包括丹麥、印度、菲律賓、文萊、尼泊爾、巴基斯坦和孟加拉國等［21］。目前，BA.2 已擴散至全球93個國家與地區(qū)，BA.2 的占比在其中43 個國家已超過了BA.1［22］。我國2022 年3 月以來，吉林延邊州、山東青島市、上海普陀區(qū)三地同日發(fā)現(xiàn)本輪疫情的首例本土病例，隨后，山東、廣東、河北、云南、上海等地，感染者總數(shù)持續(xù)上升，此次席卷各地的多為BA.2 亞型［23］。

相比之前的Delta 毒株，Omicron 毒株BA.1 的傳播速度要快77%，而在我國流行的BA.2，傳播速度又比BA.1 快66%［24］。根據(jù)丹麥的疫情數(shù)據(jù)進行測算，BA.2 的傳播力較BA.1 增加了30%［25］。Chen等［26］通過構建一種基于代數(shù)拓撲的深度學習模型，分別由BA.1，BA.2，BA.3 的RBD 突變誘導的RBDACE2 復合物的BFE 變化，BFE 變化越大，傳染性就越高，發(fā)現(xiàn)BA.1、BA.2 和BA.3 的BFE 變化分別為2.60、2.98 和2.88 kcal/mol，推測BA.2 的傳染性最高，約是BA.1 的1.5 倍。目前BA.2 的感染率已經(jīng)超過BA.1，有可能代替BA.1 成為下一個主要的流行病株。

BA.2 譜系的S 蛋白共有31 個突變，包括21 個常見突變和10 個特征突變（T19I、L24S、P25del、P26del、A27S、V213G、T376A、R408S、S371F、D405N）［17］。所有這些突變包括了NTD 中7 個氨基酸的取代或缺失，RBD 的16 個氨基酸取代，D614G突變，3 個靠近furin 裂解位點的氨基酸取代以及S2區(qū)域中的4 個氨基酸取代［27］。相比BA.1 和BA.3 在S 蛋白有69?70 的缺失，BA.2 則無這個突變，這使得BA.2 在RT?PCR 檢測時更難以被辨識，也因此被稱為“隱形版Omicron”［28］。Desingu 等［29］系統(tǒng)地分析了BA.2 亞型的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)在丹麥傳播的BA.2 的ORF3a 蛋白中，含有一種名為H78Y 的特定突變，這種突變在其他國家并不普遍，主要在丹麥和瑞典被檢測到，H78Y 突變在病毒活性中的作用尚無研究報道，但ORF3 蛋白可以促進病毒釋放，因此他們推測丹麥BA.2 的高傳染力可能與ORF3a上H78Y 突變有關。BA.2 的高傳染性以及其檢測的困難，為疫情防控帶來了巨大的阻礙，需要更多的研究來明確其機制，從而進一步指導各國的防疫工作的開展。

2.3 奧密克戎BA.3 亞型的特點

BA.3 亞型于2021 年11 月18 日在南非被發(fā)現(xiàn)。從全球范圍來看，關于BA.3 的感染少有報道，自發(fā)現(xiàn)至2022 年3 月9 日僅累計造成約500 例患者感染，在丹麥，BA.3 譜系直到2022 年1 月19 日才被發(fā)現(xiàn)［30］。

BA.3 譜系的S 蛋白共有33 個突變，但是BA.3譜系沒有特征突變，共享來自BA.1 的10 個特征突變（A67V、 H69del、 V70del、 T95I、 V143del、Y144del、Y145del、N211I、L212del、G446S）和BA.2的兩個特征突變（S371F，D405N）［17］。BA.3 的33 個突變中，有31 個突變是和BA.1 共有的，因此推測BA.3 譜系以非常低的速度傳播并導致病例較少的原因可能是由于缺乏BA.1 的6 個突變（ins214EPE、S371L、G496S、T547K、N856K、L981F）或從BA.2獲得兩個突變（S371F，D405N）。BA.3 亞型因其樣本數(shù)量的限制，目前鮮有研究報道。

3 奧密克戎變異株的免疫逃逸機制

病毒感染或接種疫苗后，B 淋巴細胞會產(chǎn)生中和抗體，與病毒表面抗原結合從而阻斷病原與宿主細胞受體的結合，防止病原微生物入侵宿主細胞。大多數(shù)新冠疫苗和單克隆抗體都是針對病毒的S 蛋白開發(fā)的，S 蛋白的變異，可以增強病毒與ACE2 之間的親和力從而競爭性的抑制中和抗體與S 蛋白的結合，使病毒發(fā)生免疫逃逸，此外，突變還可能改變中和抗體的表位［18，20］。Cao 等［31］使用高通量酵母圖譜篩選來確定247 種中和抗體的RBD 逃逸突變譜，發(fā)現(xiàn)Omicron 的各種單一突變會損害不同表位的中和抗體，其中K417N、G446S、E484A 和Q493R 突變參與了免疫逃逸。此外，Y505H 突變可以減少病毒與宿主抗體之間的接觸，增強病毒從宿主免疫系統(tǒng)中逃逸的能力。

Omicron 亞型S 蛋白的突變導致各亞型對疫苗和單克隆抗體的耐受性不同，Yu 等［32］從接種了mRNA BNT162b2 疫苗的個體中取得樣本，使用BA.1、BA.2 假病毒感染樣本并測量的中和抗體滴度，發(fā)現(xiàn)BA.2 的中和抗體滴度較BA.1 下降了1.3～1.4 倍。Chen 等［26］用各亞型RBD 突變，誘導RBDACE2 復合物的BFE 變化，發(fā)現(xiàn)所有亞型的負累積BFE 變化都多于陽性變化，這說明它們的抗體抗性，在相同的環(huán)境中，BA.1、BA.2 和BA.3 可能導致其疫苗突破性能力增加約21、27 和18 倍。BA.2 對大多數(shù)治療性單克隆抗體表現(xiàn)出明顯的耐藥性，包括Sotrovimab，但是Sotrovimab 對BA.1 保持了可觀的有效性，除了Bebtelovimab 之外，沒有其他治療性單克隆抗體可以充分覆蓋Omicron 變體的所有亞系［33］。奧密克戎變異株的免疫逃逸阻礙了疫苗接種和單克隆抗體治療的有效性，目前需要更多疫苗和藥物的開發(fā)來解決這一難題。

4 小結與展望

Omicron 變異株已在全球范圍內(nèi)引起大流行，目前各地感染人數(shù)仍在增長，BA.2 亞型感染人數(shù)也逐漸上升，目前我們對Omicron 變異株及其亞型的了解仍然較少，其高傳染性、高免疫逃逸能力為防疫工作帶來了極大的困難。El?Shabasy 等［19］分析了528 176 例Omicron 和573 012 例Delta 病例，發(fā)現(xiàn)與未接種疫苗的人相比，接種三劑疫苗使Omicron 感染者住院的比例降低了68%。Omicron 變異株并沒有完全逃逸現(xiàn)有的疫苗，完成疫苗的全程接種，仍然可以有效降低Omicron 變異株引起的住院、重癥和死亡的風險，且加強針的接種還能夠有效降低Omicron 變異株引起的突破感染的風險［34］。因此，積極接種疫苗仍然是最有效的預防措施，除此之外，繼續(xù)保持適當?shù)纳缃痪嚯x、外出佩戴口罩等也十分重要。目前關于Omicron 及其亞型的免疫逃逸機制、檢測、特異性疫苗和治療性抗體等相關研究正在有序地進行。有學者還開發(fā)了一種針對Omicron 譜系的多重RT?qPCR 測定法，可用于檢測和區(qū)分Omicron 亞型［35］。國內(nèi)外針對Omicron 變異株的特異性疫苗也取得了積極進展，我國針對奧密克戎變異株單價以及多價疫苗的研發(fā)，進展比較快的已經(jīng)完成了臨床前的研究［36］。本課題組堅信，通過各國人民的共同努力，人類終將戰(zhàn)勝新冠病毒。

作者貢獻度說明：

黃俊完成論文的寫作及文獻資料的分析；馬學鋒、邵慧娟、李娜參與文獻資料的分析；于曉輝、張久聰參與選題和設計，指導并修改論文。全體作者都閱讀并同意最終的文本。

本文作者均聲明不存在利益沖突。