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(jī)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年鹿响，從起始的毒株到德爾塔毒株再到如今的奧密克戎毒株蔬捷，新冠病毒在傳播的過程中也在不斷變異摸吠。目前大流行的毒株主要是奧密克戎府树，奧密克戎毒株的特別之處在于它具有38個(gè)突變位點(diǎn)虏冻，大量的突變位點(diǎn)對(duì)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)呼寸，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)州袒，測(cè)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)合域圖像递鹉，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)盟步。

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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”的文章躏结，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射線晶體衍射址芯，對(duì)奧密克戎的刺突蛋白進(jìn)行了測(cè)定，并且呈現(xiàn)了沙貝病毒mAbS309和人類ACE2受體結(jié)合域的圖像窜觉，證實(shí)了奧密克戎的結(jié)構(gòu)對(duì)其免疫逃逸的重要基礎(chǔ)作用谷炸，并且結(jié)合位點(diǎn)為新藥的藥物靶標(biāo)設(shè)計(jì)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(shí)別的改變提供一個(gè)結(jié)構(gòu)框架禀挫，研究人員測(cè)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)旬陡，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射線晶體圖语婴。奧密克戎NTD攜帶大量突變描孟、缺失(del)和插入(ins)，包括A67V砰左、del69-70匿醒、T95I、G142D缠导、del143-145廉羔、del211、L212I和ins214EP僻造。在圖像中可以看到憋他，S309識(shí)別抗原位點(diǎn)IV，而S304與位點(diǎn)IIc結(jié)合髓削，并被用于協(xié)助結(jié)晶竹挡。此外，作者利用表面等離子體共振(SPR)評(píng)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)合情況立膛。低溫電子顯微鏡數(shù)據(jù)的三維分類顯示揪罕，在開放構(gòu)象中存在一個(gè)或兩個(gè)RBD，作者分別以3.1A和3.2A的分辨率確定了結(jié)構(gòu)宝泵。與早期版本的新冠病毒中載脂蛋白和s309結(jié)合的情況對(duì)比好啰，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)果鲁猩。圖1.奧密克戎S三聚體的低溫電子顯微鏡結(jié)構(gòu)坎怪。

為了解釋它們的構(gòu)象動(dòng)力學(xué)，研究人員對(duì)s309結(jié)合的RBD(域B)和s2l20結(jié)合的NTD(域A)進(jìn)行集中分類和局部細(xì)化廓握，并將這些區(qū)域的局部分辨率分別提高到3.0和3.3A的分辨率搅窿。一般情況，大多數(shù)VOC在NTD隙券、RBD和呋喃裂解位點(diǎn)之外只有少數(shù)突變男应，而奧密克戎卻在這些區(qū)域之外有8個(gè)替換：T547K、H655Y娱仔、N764K沐飘、D796Y、N856K牲迫、Q954H耐朴、N969K和L981F，這些都可以在圖中顯示出來盹憎。其中三個(gè)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)筛峭，S982結(jié)合T547K(在封閉rbd的域C)，N856K結(jié)合D568和T572陪每。此外影晓，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)的疏水堆積檩禾。后一種突變接近美國(guó)部署的三種疫苗中使用的融合穩(wěn)定2P突變(K986P和V987P)挂签。OmickonS中S1和S2亞基之間的相互作用增強(qiáng)，融合前穩(wěn)定盼产，以及N679K和P681H突變導(dǎo)致的S1/S2切割位點(diǎn)的加工改變饵婆，可能會(huì)減少S1脫落，這提示我們戏售，如果采取抑制S1亞基脫落的策略啦辐，就有可能增強(qiáng)疫苗或誘導(dǎo)抗體的效應(yīng)功能活性，以及提高對(duì)奧密克戎S的治療性單克隆抗體保持親和力蜈项。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(gè)體血漿中和活性的主要靶點(diǎn)芹关，包括幾個(gè)被中和抗體識(shí)別的抗原位點(diǎn)。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紧卒，以及它們對(duì)臨床單克隆抗體結(jié)合的影響侥衬。K417N、G446S跑芳、S477N轴总、T478K、E484A博个、Q493R怀樟、G496S、Q498R盆佣、N501Y和Y505H突變是抗原位點(diǎn)I的一部分往堡，該位點(diǎn)在以前的變異中具有免疫顯性械荷。K417N、E484A虑灰、S477N和Q493R會(huì)導(dǎo)致與REGN10933失去靜電相互作用和空間碰撞吨瞎，而G446S會(huì)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)合一致穆咐。此外颤诀，據(jù)報(bào)道，N440K嚴(yán)重抑制REGN10987的中和对湃。奧密克戎RBD與COV2-2196和COV2-2130的結(jié)合減少崖叫，可能來自T478K、COV2-2196拍柒，S477N心傀，以及COV2-2130的G446S和E484A。將這些數(shù)據(jù)與中和分析相結(jié)合表明斤儿，盡管每個(gè)點(diǎn)突變只導(dǎo)致COV2-2196或cov2-2130介導(dǎo)的中和略有減少剧包，但奧密克戎突變會(huì)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往果，而Q493R則通過空間位阻阻止結(jié)合疆液。預(yù)計(jì)K417N會(huì)對(duì)奧密克戎RBD和LYCoV16重鏈形成的靜電相互作用產(chǎn)生負(fù)面影響，從而取消結(jié)合陕贮。此外堕油，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肮之，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)合掉缺，從而阻止結(jié)合。同時(shí)戈擒，奧密克戎RBD與S309結(jié)合的適度減少反映了該VOC相對(duì)于祖先病毒的中和能力降低了2-3倍眶明。圖3奧密克戎RBD的突變協(xié)助其實(shí)現(xiàn)免疫逃逸。

作者研究了奧密克戎RBD與人類ACE2的結(jié)合筐高，其比早期新冠毒株的親和力增強(qiáng)了2.4倍搜囱。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(shí)別柑土。N501Y突變能夠單獨(dú)增強(qiáng)ACE2蜀肘，這可能由于增加形狀互補(bǔ)，引入了酪氨酸側(cè)鏈和ACE2Y41和K353側(cè)鏈稽屏。正如之前觀察到的N501與ACE2復(fù)合物中包含S結(jié)構(gòu)扮宠，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(shí)別抑制約3倍狐榔，這可能是由于失去與ACE2D30的鹽橋坛增。Q493R和Q498R突變分別引入了兩個(gè)新的E35和E38鹽橋获雕，取代了早期新冠病毒形成的氫鍵，從而重塑了與ACE2的靜電相互作用轿偎。通過對(duì)酵母顯示的SARSCoV-2RBD的深度突變掃描研究典鸡，這兩種個(gè)體突變都略微降低了對(duì)ACE2的結(jié)合親和力被廓。最后坏晦，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〖蕹耍總的來說昆婿，這些突變對(duì)奧密克戎RBD與人類ACE2的結(jié)合具有凈增強(qiáng)效應(yīng)，表明結(jié)構(gòu)上位性使免疫逃逸蜓斧。圖4.奧密克戎RBD識(shí)別人類ACE2的分子機(jī)制

作者的這項(xiàng)工作揭示了奧密克戎廣泛逃避體液免疫的分子基礎(chǔ)仓蛆，并強(qiáng)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(jì)和開發(fā)中的重要性挎春，有助于解決當(dāng)前疫情大流行看疙。與此同時(shí)，奧密克戎病毒是沙貝病毒中的一個(gè)分支直奋，這些結(jié)論同時(shí)也為沙貝病毒疫苗的廣泛設(shè)計(jì)鋪平了道路能庆。

教授介紹：

David Veesler

David Veesler?美國(guó)華盛頓大學(xué)生物化學(xué)系的副教授，他的團(tuán)隊(duì)專注于研究傳染病的結(jié)構(gòu)生物學(xué)脚线，主要研究興趣是解決具有生物學(xué)意義的大分子機(jī)器的結(jié)構(gòu)搁胆，以了解其功能背后的機(jī)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)科方法邮绿，并輔以各種生化和生物物理技術(shù)渠旁，以獲得從原子到全細(xì)胞的多尺度數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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