上海藥物所聯合攻關新冠病毒奧密克戎變異株刺突蛋白及其與受體和抗病毒抗體的復合物結構并揭示作用機制

2月8日，《科學》（Science）在線發表了中國科學院上海藥物研究所徐華強和尹萬超團隊與合作單位共同完成的題為“Structures of the Omicron Spike trimer with ACE2 and an anti-Omicron antibody”的最新成果。該研究解析了新冠病毒奧密克戎（Omicron）變異株刺突蛋白，以及分別結合其受體ACE2和廣譜抗新冠抗體JMB2002的高分辨冷凍電鏡結構，闡述了Omicron變異株傳播迅速和免疫逃逸的分子機制，并揭示了治療抗體JMB2002全新的作用機制，為廣譜抗新冠抗體的設計和研發提供了新思路。

由于新冠病毒遺傳載體是RNA，突變頻率高，已出現多種“令人擔憂的變異毒株”，不斷給全球疫情防控帶來新的挑戰。特別是最新出現的Omicron變異株，正在全球肆虐，引起了新一輪感染高峰。與近兩年發現的多種變異毒株不同，新冠病毒Omicron變異株突變位點數量多，在病毒刺突蛋白上的突變就多達37處。目前，有關這些突變如何影響Omicron變異株的感染性以及導致免疫逃逸機制都不清楚。而近期的研究顯示，目前多種針對新冠病毒的中和抗體對Omicron變異株無效或效力顯著降低。因此，深入理解Omicron變異株的傳播和感染的分子機制，并開發針對Omicron變異株的特異性治療抗體迫在眉睫。

面對嚴峻的疫情防控形勢，中科院上海藥物所徐華強和尹萬超團隊緊急攻關，迅速解析Omicron變異株刺突蛋白以及結合人源受體ACE2的高分辨率冷凍電鏡結構（圖1A和1B）。生化水平實驗顯示，Omicron變異株刺突蛋白結合其受體ACE2相比于野生型有顯著的增強，提高近10倍；從解析的結構可以觀察到Omicron變異株刺突蛋白三聚體內相鄰RBD特異的相互作用，形成的RBD二聚體（圖1B），可以穩定Omicron變異株的刺突蛋白特定的RBD處于開放的狀態；熱動力學實驗顯示，Omicron變異株的RBD高度靈活，且不穩定，其熱溶解溫度降低超過5℃（圖1C），使得刺突蛋白更容易從閉合構象向開放構象轉換。Omicron變異株刺突蛋白RBD的相互作用及不穩定性，促進Omicron變異株刺突蛋白與ACE2的相互作用，從原子水平解釋了Omicron變異株傳染性增強的潛在機制。

▲圖1 Omicron突變株新冠病毒刺突蛋白結合受體ACE2的結構。A展示Omicron突變株刺突蛋白結合ACE2結構的整體構象；B為RBD-RBD二聚體，以及RBD結合ACE2的相互作用界面；C為刺突蛋白的熱穩定分析實驗。

同時，該研究團隊解析的結構顯示，Omicron變異株刺突蛋白的大部分突變位點位于蛋白表面，包括多個抗原表位，這從結構上解釋了Omicron變異株可以抵抗大部分中和抗體的分子機制。

在合作單位的支持下，徐華強和尹萬超團隊進一步解析了Omicron變異株刺突蛋白與特異性治療抗體JMB2002的結構（圖2A-C）。該抗體已完成了一期臨床試驗，具有較強的治療效果和較高的安全性。生化水平結合實驗顯示，該抗體對Omicron變異株刺突蛋白的結合力是對野生型的4倍，展示出抑制Omicron變異株的潛力。從解析的復合物結構中，研究團隊發現Omicron變異株刺突蛋白三聚體內相鄰RBD同樣存在特異的相互作用并形成穩定的RBD二聚體（圖2D），這顯示RBD二聚體是Omicron變異株刺突蛋白一個特有的結構特征，在其功能發揮中起到重要作用；結構比較顯示，結合的JMB2002抗體阻礙受體ACE2的識別（圖2E），同時，JMB2002抗體片段以一種新的構象結合在RBD的受體結合基序的背部，是一種新型作用機制的抗體（圖2F）。

▲圖2 Omicron變異株新冠病毒刺突蛋白結合抗體JMB2002的結構。A展示JMB2002抗體結合Omicron變異株刺突蛋白的整體結構；B為結合JMB2002抗體的結構中Omicron變異株刺突蛋白的構象；C為與JMB2002抗體結合的兩個RBD的結構比較；D為JMB2002抗體結合Omicron變異株刺突蛋白的結構中RBD-RBD的二聚體；E展示了結合的JMB2002抗體阻礙受體ACE2的識別；F為抗新冠病毒中和抗體的分類，JMB2002抗體為新型抗體，被歸為第五類。

上海藥物所尹萬超研究員、徐有偉博士、徐沛雨博士和博士后吳燦榮等為該研究的共同第一作者，徐華強研究員和尹萬超研究員等為該研究的共同通訊作者。該工作得到上海市市級重大科技專項、國家自然科學基金委以及國家重大科技專項等的資助。

（上海藥物所徐華強課題組）