子科生物報(bào)道：新冠疫情暴發(fā)已逾兩年，病毒在全球肆虐的態(tài)勢(shì)未見(jiàn)消退，對(duì)人類生活、健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響，奧密克戎變異株BA.1、BA.2、BA.2.12.1、BA.4、BA.5的接連出現(xiàn)對(duì)疫苗接種的預(yù)防效果和抗體藥物的治療效果提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，新變異株的受體結(jié)合能力和免疫逃逸能力亟待詳盡研究。

　　北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、昌平實(shí)驗(yàn)室謝曉亮/曹云龍課題組聯(lián)合北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院肖俊宇課題組、中國(guó)科學(xué)院生物物理所王祥喜課題組、中國(guó)食品藥品檢定研究院王佑春課題組、南開(kāi)大學(xué)沈中陽(yáng)課題組于2022年6月17日在《自然》雜志在線發(fā)表了題為BA.2.12.1, BA.4 and BA.5 escape antibodies elicited by Omicron infection的研究論文，發(fā)現(xiàn)奧密克戎突變株BA.2.12.1、BA.4、BA.5新亞型呈現(xiàn)出更強(qiáng)的免疫逃逸能力，并且對(duì)奧密克戎BA.1感染者康復(fù)后血漿出現(xiàn)了顯著的中和逃逸現(xiàn)象。

　　研究人員通過(guò)高通量單細(xì)胞測(cè)序、分離并表征上千個(gè)新冠單克隆中和抗體后，發(fā)現(xiàn)奧密克戎BA.2.12.1、BA.4、BA.5進(jìn)化出的新突變能夠特異性逃逸BA.1感染所誘導(dǎo)產(chǎn)生的中和抗體。并且，奧密克戎BA.1感染存在“免疫原罪”現(xiàn)象，即BA.1感染主要喚起之前原始株疫苗所誘導(dǎo)的記憶B細(xì)胞，而很難產(chǎn)生特異性針對(duì)BA.1的中和抗體。這些發(fā)現(xiàn)提示，基于BA.1的奧密克戎疫苗可能已不適合作為現(xiàn)有免疫背景下的加強(qiáng)針，所誘導(dǎo)出的抗體對(duì)新變異株將不具有廣譜保護(hù)效力。并且，由于新冠病毒存在“免疫原罪”現(xiàn)象并且可以快速進(jìn)化出免疫逃逸突變位點(diǎn)，通過(guò)奧密克戎感染實(shí)現(xiàn)群體免疫是極難實(shí)現(xiàn)的。

　　本研究最早于2022年5月2日在線發(fā)布于bioRxiv預(yù)印本平臺(tái)，是世界首篇系統(tǒng)性研究BA.2.12.1和BA.4/5刺突蛋白結(jié)構(gòu)和體液免疫逃逸特性，揭示奧密克戎突變株“免疫原罪”分子機(jī)制的研究論文，在國(guó)際學(xué)術(shù)界引起了廣泛關(guān)注，受到了Science、New York Times、ABC News等多家境外知名媒體的報(bào)道。

　　目前主要的奧密克戎變異株都具有較高的傳播能力，為了研究其傳播能力與刺突蛋白（Spike glycoprotein）構(gòu)象和受體結(jié)合能力的關(guān)系，合作團(tuán)隊(duì)解析了奧密克戎變異株BA.2、BA.3、BA.2.12.1、BA.2.13以及BA.4/5刺突蛋白三聚體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并分別測(cè)定各突變體刺突蛋白或受體結(jié)合域（RBD）與hACE2的親和力。結(jié)構(gòu)分析表明，BA.4/5攜帶的F486V突變可能導(dǎo)致hACE2親和力下降，但L452R和493Q回復(fù)突變降低了這一影響。研究結(jié)果顯示BA.2.12.1、BA.2.13和 BA.4/5對(duì)hACE2的親和力與BA.2相當(dāng)（圖1）。

　　圖1 奧密克戎各突變株Spike結(jié)構(gòu)與RBD的hACE2親和力

　　研究發(fā)現(xiàn)，接種三針疫苗人群的血漿對(duì)BA.2.12.1和 BA.4/5的中和能力相比BA.2有大幅下降，且BA.1突破感染的康復(fù)者血漿對(duì)BA.2.12.1和BA.4/5的中和能力也有明顯下降。流式細(xì)胞分析和單細(xì)胞VDJ測(cè)序結(jié)果說(shuō)明，BA.1突破感染主要喚起人體內(nèi)接種疫苗后產(chǎn)生的對(duì)原始株的體液免疫記憶，由此誘發(fā)的抗體可以同時(shí)中和原始株和BA.1，但對(duì)新變體的廣譜中和活性不佳，這符合“免疫原罪”理論，提示基于BA.1的奧密克戎疫苗難以對(duì)新的突變體提供廣譜有效的預(yù)防能力，可能并不適合作為現(xiàn)有人群免疫背景下的加強(qiáng)針（圖2）。

　　圖2 疫苗接種者、BA.1突破感染康復(fù)者、接種疫苗的SARS康復(fù)者血漿對(duì)各毒株的中和活性

　　對(duì)抗體藥物的研究也印證了奧密克戎株新亞型高度的中和抗體逃逸能力，多數(shù)現(xiàn)存抗體藥物對(duì)奧密克戎中和活性大大下降。BA.2、BA.4和BA.5攜帶的S371F、D405N和R408S位點(diǎn)突變導(dǎo)致大部分乙型冠狀病毒廣譜抗體（如S309）失活，而LY-CoV1404（Bebtelovimab）和COV2-2130（Cilgavimab）仍然對(duì)BA.2.12.1和BA.4/BA.5保持中和活性。此外，團(tuán)隊(duì)篩選出了一對(duì)表位不沖突的廣譜乙型冠狀病毒中和抗體組合SA58和SA55，該抗體對(duì)能高效中和包括奧密克戎株新亞型在內(nèi)所有流行過(guò)的突變株，以及非典病毒，RaTG13，Pangolin-GD等Sarbecovirus病毒，有望成為兼具強(qiáng)效預(yù)防和治療效果的藥物（圖3）。

　　圖3 現(xiàn)存抗體藥物對(duì)各毒株的中和活性

　　為了進(jìn)一步探究奧密克戎突變株的中和抗體逃避機(jī)制，團(tuán)隊(duì)利用高通量深度突變掃描技術(shù)確定了1640 個(gè)與RBD結(jié)合的抗體的逃逸圖譜、表位分布和對(duì)奧密克戎株中和功效，其中614個(gè)和411個(gè)分別來(lái)源于BA.1 康復(fù)者血漿和接種新冠疫苗的SARS康復(fù)者血漿。通過(guò)對(duì)逃逸圖譜的無(wú)監(jiān)督聚類，抗體分為A、B、C、D1、D2、E1、E2.1、E2.2、E3、F1、F2、F3 12類，數(shù)據(jù)表明屬于同一類內(nèi)的抗體有相似的結(jié)合抗原和中和特征，各類抗體的主要逃逸位點(diǎn)與該類代表性抗體在復(fù)合物結(jié)構(gòu)中的結(jié)合表位一致（圖4）。

　　圖4 原始株RBD抗體的表位分類及各類抗體特征

　　614個(gè)來(lái)自BA.1突破感染康復(fù)者血漿的抗體中包括512個(gè)原始株/BA.1 RBD交叉結(jié)合的抗體，以及102個(gè)僅結(jié)合BA.1 RBD的抗體。交叉結(jié)合抗體主要富集于E2.1、E2.2、E3、F1等非ACE2競(jìng)爭(zhēng)表位，其中E3和F1類抗體的中和活性普遍較差，E2.2類抗體中和活性一般，E2.1類抗體雖有較好的中和活性，但受攜帶L452Q 的BA.2.12.1和攜帶L452R的BA.4/5的影響，中和活性降低。僅結(jié)合BA.1的抗體則幾乎都與ACE2競(jìng)爭(zhēng)，具體的結(jié)合位點(diǎn)與結(jié)合原始株RBD的抗體大不相同，這表明BA.1 RBD的抗原性相比原始株RBD有很大變化。同時(shí)，這部分抗體被BA.2和BA.2.12.1的D405N及BA.4/5的F486V/L452R嚴(yán)重逃逸。這些結(jié)果單個(gè)抗體水平解釋了為何BA.1突破感染的康復(fù)者血漿被奧密克戎株新亞型逃逸（圖4、圖5）。

　　圖5 BA.1 RBD特異性抗體的表位分類、中和活性及逃逸位點(diǎn)

　　假病毒中和實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)分析表明，SARS-CoV-1/2 RBD交叉結(jié)合的廣譜中和抗體集中分布的表位（E1、F2、F3）也都受到BA.2、BA.2.12.1、BA.2.13和BA.4/5所攜帶的S371F、D405N、R408S突變的影響。其中E1類抗體由于S371F引起的局部構(gòu)象變化導(dǎo)致親和力下降，F(xiàn)2/F3類抗體多數(shù)被D405N和R408S突變逃逸。這表明乙型冠狀病毒B支系（sarbecovirus）的廣譜中和抗體也在很大程度上被奧密克戎BA.2、BA.2.12.1、BA.2.13和BA.4/5變異株逃逸（圖6）。

　　圖6 乙型冠狀病毒B支系廣譜中和抗體的中和活性、結(jié)構(gòu)特征及逃逸位點(diǎn)

　　本研究展示了聯(lián)合高通量單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)和高通量深度突變掃描技術(shù)在抗體篩選表征工作上的強(qiáng)大應(yīng)用潛力，結(jié)合逃逸圖譜聚類和各個(gè)表位代表性抗體的結(jié)構(gòu)分析，成功在單個(gè)抗體水平上解析出奧密克戎BA.1株突破感染康復(fù)者血漿中抗體的表位分布，以及奧密克戎株新亞型逃逸各類中和抗體的物理化學(xué)機(jī)制，并構(gòu)建出新冠病毒RBD抗體結(jié)合表位、逃逸圖譜、中和活性的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)抗體藥物和廣譜疫苗的研發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。