新冠疫情暴發(fā)已逾兩年，病毒在全球肆虐的態(tài)勢未見消退，對人類生活、健康產(chǎn)生嚴重影響，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)對疫苗接種的預防效果和抗體藥物的治療效果提出了嚴峻挑戰(zhàn)，新變異株的受體結合能力和免疫逃逸能力亟待詳盡研究。

北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、昌平實驗室謝曉亮/曹云龍課題組聯(lián)合北京大學生命科學學院肖俊宇課題組、中國科學院生物物理所王祥喜課題組、中國食品藥品檢定研究院王佑春課題組、南開大學沈中陽課題組于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)出更強的免疫逃逸能力，并且對奧密克戎BA.1感染者康復后血漿出現(xiàn)了顯著的中和逃逸現(xiàn)象。

研究人員通過高通量單細胞測序、分離并表征上千個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進化出的新突變能夠特異性逃逸BA.1感染所誘導產(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的記憶B細胞，而很難產(chǎn)生特異性針對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針，所誘導出的抗體對新變異株將不具有廣譜保護效力。并且，由于新冠病毒存在“免疫原罪”現(xiàn)象并且可以快速進化出免疫逃逸突變位點，通過奧密克戎感染實現(xiàn)群體免疫是極難實現(xiàn)的。

本研究最早于2022年5月2日在線發(fā)布于bioRxiv預印本平臺，是世界首篇系統(tǒng)性研究BA.2.12.1和BA.4/5刺突蛋白結構和體液免疫逃逸特性，揭示奧密克戎突變株“免疫原罪”分子機制的研究論文，在國際學術界引起了廣泛關注，受到了Science、New York Times、ABCNews等多家境外知名媒體的報道。

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（Spikeglycoprotein）構象和受體結合能力的關系，合作團隊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構，并分別測定各突變體刺突蛋白或受體結合域（RBD）與hACE2的親和力。結構分析表明，BA.4/5攜帶的F486V突變可能導致hACE2親和力下降，但L452R和493Q回復突變降低了這一影響。研究結果顯示BA.2.12.1、BA.2.13和BA.4/5對hACE2的親和力與BA.2相當（圖1）。

圖1 奧密克戎各突變株Spike結構與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突破感染的康復者血漿對BA.2.12.1和BA.4/5的中和能力也有明顯下降。流式細胞分析和單細胞VDJ測序結果說明，BA.1突破感染主要喚起人體內(nèi)接種疫苗后產(chǎn)生的對原始株的體液免疫記憶，由此誘發(fā)的抗體可以同時中和原始株和BA.1，但對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新的突變體提供廣譜有效的預防能力，可能并不適合作為現(xiàn)有人群免疫背景下的加強針（圖2）。

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

對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位點突變導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BA.2.12.1和BA.4/BA.5保持中和活性。此外，團隊篩選出了一對表位不沖突的廣譜乙型冠狀病毒中和抗體組合SA58和SA55，該抗體對能高效中和包括奧密克戎株新亞型在內(nèi)所有流行過的突變株，以及非典病毒，RaTG13，Pangolin-GD等Sarbecovirus病毒，有望成為兼具強效預防和治療效果的藥物（圖3）。

圖3 現(xiàn)存抗體藥物對各毒株的中和活性

為了進一步探究奧密克戎突變株的中和抗體逃避機制，團隊利用高通量深度突變掃描技術確定了1640 個與RBD結合的抗體的逃逸圖譜、表位分布和對奧密克戎株中和功效，其中614個和411個分別來源于BA.1 康復者血漿和接種新冠疫苗的SARS康復者血漿。通過對逃逸圖譜的無監(jiān)督聚類，抗體分為A、B、C、D1、D2、E1、E2.1、E2.2、E3、F1、F2、F312類，數(shù)據(jù)表明屬于同一類內(nèi)的抗體有相似的結合抗原和中和特征，各類抗體的主要逃逸位點與該類代表性抗體在復合物結構中的結合表位一致（圖4）。

圖4 原始株RBD抗體的表位分類及各類抗體特征

614個來自BA.1突破感染康復者血漿的抗體中包括512個原始株/BA.1 RBD交叉結合的抗體，以及102個僅結合BA.1 RBD的抗體。交叉結合抗體主要富集于E2.1、E2.2、E3、F1等非ACE2競爭表位，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。僅結合BA.1的抗體則幾乎都與ACE2競爭，具體的結合位點與結合原始株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，這部分抗體被BA.2和BA.2.12.1的D405N及BA.4/5的F486V/L452R嚴重逃逸。這些結果單個抗體水平解釋了為何BA.1突破感染的康復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

假病毒中和實驗和結構分析表明，SARS-CoV-1/2 RBD交叉結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引起的局部構象變化導致親和力下降，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、結構特征及逃逸位點

本研究展示了聯(lián)合高通量單細胞測序技術和高通量深度突變掃描技術在抗體篩選表征工作上的強大應用潛力，結合逃逸圖譜聚類和各個表位代表性抗體的結構分析，成功在單個抗體水平上解析出奧密克戎BA.1株突破感染康復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機制，并構建出新冠病毒RBD抗體結合表位、逃逸圖譜、中和活性的綜合數(shù)據(jù)庫，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。

昌平實驗室、北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心曹云龍副研究員，北京大學博士研究生阿依江·伊斯馬衣、簡繁沖、宋瑋良、肖天賀、王菁，北京大學生命科學學院杜碩博士，中國科學院生物物理所王磊，中國食品藥品檢定研究院李倩倩、于原玲，南開大學陳筱素為本文的共同第一作者。昌平實驗室、北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心謝曉亮教授、曹云龍研究員，北京大學生命科學學院、昌平實驗室肖俊宇研究員，中國科學院生物物理所王祥喜研究員，中國食品藥品檢定研究院王佑春研究員，南開大學沈中陽教授為本文的共同通訊作者。本研究得到科技部昌平實驗室基金支持。

通訊作者介紹：

曹云龍，北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）副研究員。哈佛大學化學博士學位。新冠疫情期間利用單細胞基因組學技術在新冠蛋白特異性B細胞和抗體免疫方向做出突出研究貢獻，以第一作者、共同通訊身份在Nature, Cell, Cell Research等雜志發(fā)表10余篇文章。相關新冠研究成果被評選為“2020年中國科學十大進展”。曾獲得2021年度麻省理工科技評論“35歲以下科技創(chuàng)新35人”。

肖俊宇，結構生物學家，北京大學生命科學學院、北大清華生命科學聯(lián)合中心研究員。2002年畢業(yè)于北京大學；2008年在密歇根大學獲得理學博士學位；2009年到2011年，在加州大學圣地亞哥分校做博士后，師從Jack Dixon教授；2011 年2013年，在加州大學圣地亞哥分校作為項目科學家開展研究工作；2014年到2019年在北京大學擔任助理教授；2014至今，在北京大學生命科學學院擔任研究員/獨立PI；2020至今，擔任北京大學長聘副教授。獲國家自然科學基金委優(yōu)秀青年科學基金、中源協(xié)和生命醫(yī)學創(chuàng)新突破獎、顧孝誠講座獎、藥明康德生命化學研究杰出成就獎等獎勵。

謝曉亮，生物物理化學家，北京大學李兆基講席教授，單分子生物物理化學的奠基人之一、相干拉曼散射顯微成像技術和單細胞基因組學的開拓者。謝曉亮團隊發(fā)明的全基因組擴增技術已使數(shù)千個患有單基因遺傳病的家庭成功避免了致病基因的后代傳遞。他是中國改革開放后大陸赴美學者中分別受聘哈佛大學終身教授（1999年）和講席教授（2009年）的第一人, 2018年全職回國工作，任北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）創(chuàng)始主任。他的學術榮譽包括美國生物醫(yī)學最高獎之一“阿爾伯尼獎”、美國物理化學最高獎“Peter Debye獎”和美國生物物理最高獎“Founder 獎”。

來源：北京大學