由SARS-CoV-2引發的COVID-19對全球公共衛生造成了前所未有的威脅，特别是最新出現的奧密克戎（Omicron）變異毒株在全球範圍廣泛傳播，不斷給中和性抗體和疫苗研發帶來新的挑戰。Omicron變異毒株存在大量突變位點，其中有多達37處突變位于刺突蛋白（Spike）。近期研究顯示，目前多種針對SARS-CoV-2的中和性抗體對Omicron變異毒株無效或效力顯著降低。因此，深入研究Omicron變異毒株免疫逃逸的分子機制可以為針對SARS-CoV-2的廣譜中和性抗體研發提供新思路。
近日，伟徳国际官网登录入口醫藥生物技術國家重點實驗室籍曉雲課題組聯合上海科技大學免疫化學研究所研究員楊海濤/清華大學教授、上海科技大學免疫化學研究所特聘教授饒子和院士課題組和重慶醫科大學黃愛龍/金艾順課題組，利用冷凍電鏡單顆粒技術解析了Omicron變異毒株Spike蛋白分别結合受體和抗體的高分辨率結構，從結構生物學角度闡明Omicron 變異毒株逃逸絕大部分現有中和性抗體，同時保留與受體ACE2 有效相互作用的分子機制，為廣譜中和性抗體的設計和研發提供了新的思路。
研究團隊首先獲得了分辨率為2.8 Å的Omicron Spike-ACE2複合物冷凍電鏡結構。與野生型（WT） Spike相比，Omicron Spike蛋白受體結合結構域（RBD）上的氨基酸突變位點與受體ACE2第一段α螺旋上的氨基酸殘基形成了新的相互作用，因此Omicron Spike仍能緊密結合ACE2。研究團隊還通過表面等離子共振（SPR）實驗證實了Omicron Spike與受體ACE2的相互作用。
研究團隊随後分析了一系列目前已用做新冠肺炎單藥或聯用治療的抗體藥物結構信息。通過結構比對，研究團隊發現Omicron的 RBD 上氨基酸突變位點明顯集中在大部分中和性抗體的表位區域。這些突變會引入空間位阻和/或破壞抗體與Omicron的 RBD氨基酸殘基之間特定的相互作用。結構分析揭示了Omicron RBD 突變有效地阻斷了大部分現有中和性抗體的Fab 與RBD 的結合，而沒有破壞ACE2與RBD的結合，這表明RBD 上的突變對受體和抗體具有雙重作用。
研究團隊進一步解析了中和性抗體510A5分别與WT、Delta和Omicron三種毒株的Spike蛋白的複合物冷凍電鏡結構。510A5是從COVID-19恢複期病例血清樣本中篩選的一種針對RBD的中和抗體。生化水平結合實驗顯示，相比WT和Delta，510A5對Omicron Spike蛋白的結合能力有所降低；假病毒中和實驗證明了Omicron變異株對510A5的免疫逃逸。冷凍電鏡結構顯示，WT和Delta的Spike蛋白與510A5 Fab的複合物均存在一種三個“Down”構象RBD的狀态，此時三個510A5 Fab均能同時與兩個相鄰“Down”構象的RBD相互作用，從而将Spike蛋白鎖定在受體不可及的關閉狀态，阻斷病毒的受體識别過程。而Omicron Spike-510A5 Fab複合物有兩種結合模式，分别結合三個和兩個510A5 Fab，其中Omicron Spike蛋白均有一個RBD處于“Up”構象和兩個RBD處于“Down”構象。Omicron RBD的突變位點顯著降低了510A5結合RBD的能力，導緻三個“Down”構象RBD的狀态消失，并産生了一個暴露ACE2結合位點的“Up”構象的RBD，這為解釋Omicron變異毒株的免疫逃逸提供了一個直接證據。此外，研究團隊還比較了最近報道的對Omicron變異毒株保留一定中和活性的抗體，并分析了這些抗體的表位特征和作用模式，發現第3類和第4類抗體的表位與Omicron的突變位點重合度較小，因此對Omicron變異毒株具有更高的耐受力。通過上述實驗結果，研究團隊認為通過雞尾酒抗體同時針對不同表位的治療策略可能具有很高的臨床應用潛力。
綜上所述，本研究揭示了目前最受關注的新冠突變毒株Omicron與ACE2相互作用以及逃逸中和抗體的分子機制，為Omicron免疫逃逸的機制研究提供了新的思路，也為疫苗研發奠定了基礎。該研究成果以“Structures of Omicron Spike complexes and implications for neutralizing antibody development”為題，于2022年4月14日發表在國際期刊《細胞報告》（Cell Reports）上。伟徳国际官网登录入口與上海科技大學聯合培養的博士研究生郭航天、上海科技大學免疫化學研究所副研究員高岩、伟徳国际官网登录入口助理研究員李聽寒、重慶醫科大學博士後李婷婷和上海科技大學免疫化學研究所碩士研究生盧宇馳為該論文的共同第一作者，伟徳国际官网登录入口籍曉雲教授，清華大學教授、上海科技大學免疫化學研究所特聘教授饒子和院士，上海科技大學免疫化學研究所楊海濤研究員以及重慶醫科大學黃愛龍教授和金艾順教授為該論文的共同通訊作者。該研究工作也得到了國家重點研究計劃和國家自然科學基金等項目的資助，在此一并緻謝！
關鍵詞：新冠病毒；奧密克戎；中和性抗體；冷凍電鏡；免疫逃逸。
文章鍊接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.110770