Science | 奧密克戎免疫逃逸和受體參與的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

原創(chuàng)?蘇安?圖靈基因?2022-02-12 10:38

收錄于話題#前沿分子生物學(xué)機制

撰文：蘇安

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新冠病毒從2020年爆發(fā)開始至今已經(jīng)肆虐全球2年，從起始的毒株到德爾塔毒株再到如今的奧密克戎毒株，新冠病毒在傳播的過程中也在不斷變異。目前大流行的毒株主要是奧密克戎，奧密克戎毒株的特別之處在于它具有38個突變位點，大量的突變位點對于奧秘克戎毒株在免疫系統(tǒng)的巡視下成功逃逸提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，奧密克戎可逃逸大部分新冠病毒現(xiàn)有中和抗體。本文的研究人員通過冷凍電子顯微鏡和x射線晶體衍射的技術(shù)，測定了奧密克戎表面的刺突蛋白的結(jié)構(gòu)，并向我們呈現(xiàn)了沙貝病毒單克隆抗體(mAb)S309（索曲維單抗的母體單抗）和人類ACE2受體結(jié)合的受體結(jié)合域圖像，這些證據(jù)揭示了奧密克戎能夠免疫逃逸的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

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近期，在Science雜志上發(fā)表了一篇名為“Structural basis of SARS-CoV-2 Omicron immune evasion and receptor engagement”的文章，本文的研究人員利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究技術(shù)：冷凍電鏡和X射線晶體衍射，對奧密克戎的刺突蛋白進行了測定，并且呈現(xiàn)了沙貝病毒mAbS309和人類ACE2受體結(jié)合域的圖像，證實了奧密克戎的結(jié)構(gòu)對其免疫逃逸的重要基礎(chǔ)作用，并且結(jié)合位點為新藥的藥物靶標(biāo)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

為了給觀察到的奧密克戎免疫逃逸和受體識別的改變提供一個結(jié)構(gòu)框架，研究人員測定了預(yù)融合穩(wěn)定的SARS-CoV-2奧密克戎外域三聚體與S309和S2L20(NTD特異性外克隆抗體)片段結(jié)合的低溫電子顯微鏡結(jié)構(gòu)，奧密克戎RBD與人類ACE2復(fù)合物X射線晶體結(jié)構(gòu)圖，以及在2.85A分辨率單克隆抗體S309和S304的Fab片段X射線晶體圖。奧密克戎NTD攜帶大量突變、缺失(del)和插入(ins)，包括A67V、del69-70、T95I、G142D、del143-145、del211、L212I和ins214EP。在圖像中可以看到，S309識別抗原位點IV，而S304與位點IIc結(jié)合，并被用于協(xié)助結(jié)晶。此外，作者利用表面等離子體共振(SPR)評估了臨床單克隆抗體與奧密克戎RBD和S外結(jié)構(gòu)域三聚體的結(jié)合情況。低溫電子顯微鏡數(shù)據(jù)的三維分類顯示，在開放構(gòu)象中存在一個或兩個RBD，作者分別以3.1A和3.2A的分辨率確定了結(jié)構(gòu)。與早期版本的新冠病毒中載脂蛋白和s309結(jié)合的情況對比，奧密克戎的開放RBD比例更大，這可能是由于奧密克戎突變或是與S2L20結(jié)合的結(jié)果。圖1.奧密克戎S三聚體的低溫電子顯微鏡結(jié)構(gòu)。

為了解釋它們的構(gòu)象動力學(xué)，研究人員對s309結(jié)合的RBD(域B)和s2l20結(jié)合的NTD(域A)進行集中分類和局部細化，并將這些區(qū)域的局部分辨率分別提高到3.0和3.3A的分辨率。一般情況，大多數(shù)VOC在NTD、RBD和呋喃裂解位點之外只有少數(shù)突變，而奧密克戎卻在這些區(qū)域之外有8個替換：T547K、H655Y、N764K、D796Y、N856K、Q954H、N969K和L981F，這些都可以在圖中顯示出來。其中三個突變引入了S2和S1亞基之間的原聚體靜電接觸：N764K結(jié)合Q314(域D)，S982結(jié)合T547K(在封閉rbd的域C)，N856K結(jié)合D568和T572。此外，N969K與Q755形成了前聚體間的靜電接觸，而L981F改善了前聚變構(gòu)象中的前聚體內(nèi)的疏水堆積。后一種突變接近美國部署的三種疫苗中使用的融合穩(wěn)定2P突變(K986P和V987P)。OmickonS中S1和S2亞基之間的相互作用增強，融合前穩(wěn)定，以及N679K和P681H突變導(dǎo)致的S1/S2切割位點的加工改變，可能會減少S1脫落，這提示我們，如果采取抑制S1亞基脫落的策略，就有可能增強疫苗或誘導(dǎo)抗體的效應(yīng)功能活性，以及提高對奧密克戎S的治療性單克隆抗體保持親和力。圖2.奧密克戎S結(jié)構(gòu)域的突變

RBD是恢復(fù)期和接種疫苗個體血漿中和活性的主要靶點，包括幾個被中和抗體識別的抗原位點。研究人員提供了在該變體中發(fā)現(xiàn)的殘基替換的高分辨率圖像，以及它們對臨床單克隆抗體結(jié)合的影響。K417N、G446S、S477N、T478K、E484A、Q493R、G496S、Q498R、N501Y和Y505H突變是抗原位點I的一部分，該位點在以前的變異中具有免疫顯性。K417N、E484A、S477N和Q493R會導(dǎo)致與REGN10933失去靜電相互作用和空間碰撞，而G446S會導(dǎo)致與REGN10987的空間碰撞，這與奧密克戎RBD和S三聚體的結(jié)合一致。此外，據(jù)報道，N440K嚴(yán)重抑制REGN10987的中和。奧密克戎RBD與COV2-2196和COV2-2130的結(jié)合減少，可能來自T478K、COV2-2196，S477N，以及COV2-2130的G446S和E484A。將這些數(shù)據(jù)與中和分析相結(jié)合表明，盡管每個點突變只導(dǎo)致COV2-2196或cov2-2130介導(dǎo)的中和略有減少，但奧密克戎突變會導(dǎo)致更明顯的活性損失。E484A消除了與LYCoV555重鏈和輕鏈的靜電相互作用，而Q493R則通過空間位阻阻止結(jié)合。預(yù)計K417N會對奧密克戎RBD和LYCoV16重鏈形成的靜電相互作用產(chǎn)生負面影響，從而取消結(jié)合。此外，S477N和Q493R已被證明可以抑制LY-CoV16介導(dǎo)的結(jié)合和中和作用。最后是K417N，E484A和Q493R通過空間位阻和靜電接觸重塑的結(jié)合阻礙CT-P59的結(jié)合，從而阻止結(jié)合。同時，奧密克戎RBD與S309結(jié)合的適度減少反映了該VOC相對于祖先病毒的中和能力降低了2-3倍。圖3奧密克戎RBD的突變協(xié)助其實現(xiàn)免疫逃逸。

作者研究了奧密克戎RBD與人類ACE2的結(jié)合，其比早期新冠毒株的親和力增強了2.4倍。并且作者呈現(xiàn)了人類ACE2與奧密克戎RBD晶體結(jié)合的結(jié)構(gòu)圖像，闡明了VOC中發(fā)現(xiàn)的RBD突變?nèi)绾斡绊懯荏w識別。N501Y突變能夠單獨增強ACE2，這可能由于增加形狀互補，引入了酪氨酸側(cè)鏈和ACE2Y41和K353側(cè)鏈。正如之前觀察到的N501與ACE2復(fù)合物中包含S結(jié)構(gòu)，奧密克戎S殘基Y501和ACE2殘基Y41形成T型π-π堆疊作用。K417N突變使受體識別抑制約3倍，這可能是由于失去與ACE2D30的鹽橋。Q493R和Q498R突變分別引入了兩個新的E35和E38鹽橋，取代了早期新冠病毒形成的氫鍵，從而重塑了與ACE2的靜電相互作用。通過對酵母顯示的SARSCoV-2RBD的深度突變掃描研究，這兩種個體突變都略微降低了對ACE2的結(jié)合親和力。最后，S477N導(dǎo)致引入的天冬酰胺側(cè)鏈與ACE2S19主胺和碳基之間形成新的氫鍵?？偟膩碚f，這些突變對奧密克戎RBD與人類ACE2的結(jié)合具有凈增強效應(yīng)，表明結(jié)構(gòu)上位性使免疫逃逸。圖4.奧密克戎RBD識別人類ACE2的分子機制

作者的這項工作揭示了奧密克戎廣泛逃避體液免疫的分子基礎(chǔ)，并強調(diào)了奧密克戎突變的可塑性，以及靶向保守表位在疫苗和治療方法的設(shè)計和開發(fā)中的重要性，有助于解決當(dāng)前疫情大流行。與此同時，奧密克戎病毒是沙貝病毒中的一個分支，這些結(jié)論同時也為沙貝病毒疫苗的廣泛設(shè)計鋪平了道路。

教授介紹：

David Veesler

David Veesler?美國華盛頓大學(xué)生物化學(xué)系的副教授，他的團隊專注于研究傳染病的結(jié)構(gòu)生物學(xué)，主要研究興趣是解決具有生物學(xué)意義的大分子機器的結(jié)構(gòu)，以了解其功能背后的機制。他們主要使用涉及冷凍電子顯微鏡和X射線晶體學(xué)的多學(xué)科方法，并輔以各種生化和生物物理技術(shù)，以獲得從原子到全細胞的多尺度數(shù)據(jù)。

參考文獻：

Matthew McCallum et al. Structural basis of SARS-CoV-2 Omicron immuneevasion and receptor engagement[J].Science. 2022 Jan 25