Molecular basis of SARS-CoV-2 Omicron variant evasion from shared neutralizing antibody response
摘要
新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的 Omicron 变体的出现引发了全球对现有疫苗和治疗性抗体有效性的关注。本文详细解析了 Patel 等人发表在《Structure》杂志上的题为 “Molecular basis of SARS-CoV-2 Omicron variant evasion from shared neutralizing antibody response” 的研究，该研究揭示了 Omicron 变体如何逃逸共享的中和抗体反应的分子机制。通过对从印度 COVID-19 康复患者中分离出的三株单克隆抗体（mAbs）的结构和功能分析，研究团队阐明了这些抗体与病毒刺突蛋白的相互作用，以及 Omicron 变体中的突变如何影响抗体的结合和中和能力。这些发现对于预测新出现的 SARS-CoV-2 逃逸变体的结构特征以及开发针对这些变体的疫苗和治疗性抗体具有重要意义。
研究背景
自 COVID-19 爆发以来，SARS-CoV-2 不断进化，出现了多种变体，其中 Omicron 变体现在已成为全球主要流行株。这些变体通过刺突蛋白上的突变获得了免疫逃逸能力，能够逃逸宿主的中和抗体反应。中和抗体是宿主免疫反应的重要组成部分，它们可以通过与病毒刺突蛋白结合来阻止病毒进入宿主细胞。因此，了解中和抗体与病毒抗原之间的分子相互作用对于开发有效的疫苗和治疗性抗体至关重要。
研究方法
抗体的分离与鉴定
研究团队从印度第一波疫情期间康复的 COVID-19 患者中分离出 92 株针对 SARS-CoV-2 受体结合域（RBD）的单克隆抗体。这些抗体具有近生殖系基因使用和强大的中和能力。本研究重点分析了其中三株抗体（002-13、002-02 和 034-32），它们对原始毒株 WA.1 具有强效中和活性，但对不同变体的中和能力存在差异。
免疫遗传分析
通过免疫遗传分析，研究人员发现这三株抗体均由共享的公共抗体反应编码。002-13 抗体由 IGHV3-30 和 IGLV6-57 基因编码，而 002-02 和 034-32 抗体则由 IGHV3-53/3-66 基因编码。这些基因在全球不同人群中普遍存在，表明存在一种共享的免疫反应。
结合与中和实验
研究人员利用生物层干涉技术（BLI）和中和实验测定了这三株抗体与 SARS-CoV-2 WA.1 株及其他变体（包括 Alpha、Beta、Delta 和 Omicron）的结合亲和力和中和效力。结果显示，002-13 抗体对 Alpha、Beta 和 Delta 变体的中和效力未受影响，但对 Omicron 变体失去了中和能力；而 002-02 和 034-32 抗体对 Alpha 和 Delta 变体具有与 WA.1 株相当的中和效力，但对 Beta 变体的中和效力降低，且对 Omicron 变体完全失去了中和能力。
冷冻电镜结构分析
为了深入理解抗体与病毒刺突蛋白的相互作用，研究人员利用冷冻电镜技术解析了这三株抗体与 WA.1 刺突蛋白三聚体复合物的结构。这些结构揭示了抗体的双价结合模式，其中 002-13 抗体靶向 RBD 的类 4 表位，而 002-02 和 034-32 抗体靶向 RBD 的类 1 表位。通过分析抗体与 RBD 的结合位点，研究人员预测了关键突变对抗体功能的影响。
研究结果
002-13 抗体与 RBD 的相互作用
冷冻电镜结构显示，002-13 抗体与 WA.1 刺突蛋白三聚体结合时，其 Fab 区域识别相邻 RBD 上的保守表位。该表位位于 RBD 的内侧面，仅在 RBD 处于 “up” 构象时可被访问。002-13 抗体的重链贡献了大部分的相互作用，其 CDRH3 区域形成了一个类似脚状的环，通过二硫键稳定。该抗体的 CDRH3 区域包含一个 CxGGxC 动机，与 RBD 区域 S371-C379 的残基形成多种相互作用。尽管 002-13 抗体的结合位点位于受体结合基元（RBM）之外，但它可以通过轻链的取向立体阻断 ACE2 的结合。在 Omicron 变体中，S371L、S373P 和 S375F 突变位于 002-13 抗体的表位内，可能导致抗体对 Omicron 的结合和中和能力下降。
002-02 和 034-32 抗体与 RBD 的相互作用
与 002-13 抗体不同，002-02 和 034-32 抗体识别 RBD 顶部口袋中的表位，直接与 ACE2 竞争结合。这两种抗体的重链和轻链的 CDR 区域均参与了与 RBD 的相互作用。在 Beta 变体中，K417N、E484K 和 N501Y 突变位于 002-02 和 034-32 抗体的表位内，导致抗体对 Beta 变体的结合和中和能力降低；而在 Omicron 变体中，存在六种突变（K417N、S477N、Q493R、G496S、Q498R 和 N501Y），这些突变预计会显著影响抗体的结合和中和能力。实验结果也证实了这一点，002-02 和 034-32 抗体对 Omicron 变体完全失去了中和能力。
抗体对不同变体的结合和中和能力
研究人员将这三株抗体对不同 SARS-CoV-2 变体的结合和中和能力进行了系统评估。结果显示（见表 1），002-13 抗体对 Alpha、Beta 和 Delta 变体的结合和中和效力未受影响，但对 Omicron 变体的结合亲和力适度下降，且完全失去了中和能力；002-02 和 034-32 抗体对 Alpha 和 Delta 变体的结合和中和效力与 WA.1 株相当，对 Beta 变体的结合和中和效力分别下降了 3 倍和 150 倍，而对 Omicron 变体则完全失去了结合和中和能力。
表 1 三株抗体对不同 SARS-CoV-2 变体的结合亲和力（KD）和中和效力（FRNT50）
| 变体 | 002-13 | 002-02 | 034-32 |
|---|---|---|---|
| WA.1 | 0.20 μg/mL | 0.43 μg/mL | 0.28 μg/mL |
| Alpha | 0.27 μg/mL | 0.32 μg/mL | 0.32 μg/mL |
| Beta | 0.30 μg/mL | 1.64 μg/mL | 4.90 μg/mL |
| Delta | 0.21 μg/mL | 0.26 μg/mL | 0.32 μg/mL |
| Omicron | >10 μg/mL | >10 μg/mL | >10 μg/mL |
注：KD 值越小，表示抗体与抗原的结合亲和力越强；FRNT50 值越小，表示抗体的中和效力越强。
研究意义
本研究通过分析三株共享单克隆抗体与 SARS-CoV-2 刺突蛋白的相互作用，揭示了 Omicron 变体逃逸共享中和抗体反应的分子机制。研究结果表明，SARS-CoV-2 变体中的关键突变可以显著影响抗体的结合和中和能力，从而实现免疫逃逸。这些发现对于预测新出现的 SARS-CoV-2 变体的抗原特性以及开发广谱有效的疫苗和治疗性抗体具有重要的指导意义。
研究局限性
尽管本研究提供了关于 SARS-CoV-2 变体逃逸共享抗体反应的深入见解，但仍存在一些局限性。首先，研究仅关注了三株抗体与刺突蛋白的结合模式，可能无法涵盖所有潜在的抗体 - 抗原相互作用。其次，实验结果主要基于结构预测和体外实验，需要在动物模型中进一步验证这些抗体的实际保护效力。
结论
Patel 等人的研究深入探讨了 SARS-CoV-2 Omicron 变体逃逸共享中和抗体反应的分子基础。通过结合免疫遗传分析、结合实验和冷冻电镜结构分析，研究团队揭示了关键突变如何影响抗体的结合和中和能力。这些发现不仅增进了我们对病毒 - 抗体相互作用的理解，还为开发更有效的 COVID-19 疫苗和治疗性抗体提供了重要的科学依据。未来的研究应继续关注病毒变体的抗原演化，并探索基于共享抗体反应的广谱免疫策略，以应对不断变化的 SARS-CoV-2 病毒。
以上内容对原文进行了详细的解析和阐述，旨在帮助读者更好地理解 SARS-CoV-2 Omicron 变体逃逸共享中和抗体反应的分子机制。通过深入研究这些机制，科学家们可以更有效地设计和优化疫苗及治疗方案，以应对 COVID-19 大流行带来的持续挑战。
| 名称 | 货号 | 规格 |
| Peroxidase-conjugated AffiniPure™ F(ab‘)2 Fragment Goat Anti-Human IgG, Fcγ Fragment Specific (min X Bov,Hrs,Ms Sr Prot) | 109-036-098 | 0.5ml |
| EXPIFECTAMINE TRANSFXN KIT 1L | A14524 | 1LKit |
| EXPI293 EXPRESSION MEDIUM | A1435102 | 6x1L |
| Peroxidase-conjugated AffiniPure™ F(ab‘)2 Fragment Goat Anti-Human IgG, Fcγ Fragment Specific (min X Bov,Hrs,Ms Sr Prot) | 109-036-098 | 0.5ml |
