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(dǎo)致傳染能力更強。新冠病毒S蛋白與人受體ACE2的分子結(jié)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(guān)注就是那些位于S蛋白與人受體ACE2的結(jié)合部分（RBD結(jié)構(gòu)域）的突變，可以直接影響其與受體的結(jié)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(guān)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(shù)路線都是從檢測S蛋白和受體的結(jié)合親和力開始，都采用了基于生物層干涉技術(shù)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(xué)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(yù)防中心的研究人員通過分子結(jié)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(guān)研究結(jié)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(shù)（BLI）檢測614D野生型及614G突變體刺突蛋白（S蛋白）與hACE2的結(jié)合能力，結(jié)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(xué)家也得到了類似的結(jié)論。研究人員的工作非常細(xì)致，分析了不同溫度下的結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)合親和力水平的變化和功能學(xué)實驗的結(jié)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(jié)合結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)果發(fā)現(xiàn)這些突變體的結(jié)合親和力都變強了！ AR2G傳感器固化S RBD，與ACE2結(jié)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(jié)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(dān)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(jié)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(dāng)然，作者還解析了S蛋白突變體的結(jié)構(gòu)，并從分子結(jié)構(gòu)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(jié)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(guān)于新冠的CNS和600多篇其他文章用到了BLI技術(shù)，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(xué)近期還發(fā)表一篇關(guān)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(xué)、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(xiàn)-
[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