Science:新冠疫苗重大突破,美科学家绘制出S蛋白超清结构,疫苗测试正在进行

2020 年 2 月 19 日,Science 杂志刊发美国德克萨斯大学奥斯汀分校 Jason S McLellan 团队的一篇重磅成果,研究人员通过冷冻电镜 Cryo-EM 技术,解析出新冠病毒 S 蛋白三聚体 3.5 埃的近原子分辨率结构,从生物物理及结构生物学的角度加深了我们对新冠病毒的认知,为疫苗研发相关工作奠定了坚实基础。

这是科学家首次通过冷冻电镜对新冠病毒 S 蛋白结构进行详细观察和解析。绘制冠状病毒被称为 S 蛋白的详细结构,是世界各地的研究人员开发相关疫苗和抗病毒药物过程中至关重要的一步,基于这一突破,该研究团队正在进行新冠病毒相关疫苗的测试工作。

来源:Science据研究人员介绍,在从中国研究人员那里获得新冠病毒的基因组序列仅仅两周后,该研究团队就设计并生产出了稳定的 S 蛋白样本,然后他们又花了大约 12 天的时间,重建了 S 蛋白的 3D 原子尺度结构图,并向 Science 杂志提交了一份手稿,Science 杂志也专门加快了同行评审的进程。

一般情况下,手稿评审过程中涉及的许多步骤,通常需要几个月才能完成。这项最新成果于 2 月 17 日在预印版平台 bioRxiv 发表,仅在 2 天后,便刊登在顶级期刊 Science 杂志上。

疫苗开发的关键:S 蛋白

冠状病毒的 S 蛋白,全称为 spike protein,组合成一个三聚体,约含有 1300 个氨基酸,属于第一类膜融合蛋白,同类的病毒膜融合蛋白还包括 HIV 的 Env 蛋白,流感的 HA 蛋白,以及埃博拉病毒的 Gp 蛋白等。

不久前,中国科学院武汉病毒所石正丽团队在 Nature 发表的研究论文中,对造成此次疫情的 2019-nCoV 病毒进入人体细胞的途径进行了解析,证实新型冠状病毒感染人体细胞的关键就在于 S 蛋白与 ACE2 蛋白的结合。在 SARS 病毒和 MERS 病毒中,S 蛋白也行使着同样的作用。

新冠病毒可以说,S 蛋白决定了病毒的宿主范围和特异性,是宿主中抗体的重要作用位点,同时也是疫苗设计、治疗性抗体和诊断方法的关键靶标。

此前大量将 S 蛋白作为抗原蛋白的新冠疫苗研发工作,多是基于新冠病毒 S 蛋白的预测结构,或相近病毒(如 SARS)S 蛋白的已知结构展开。

领导这项研究的德克萨斯大学奥斯汀分校副教授杰森·麦克莱伦 (Jason McLellan) 和他的同事,花了多年时间研究冠状病毒,包括 SARS-CoV 和 MERS-CoV。他们曾开发出一种方法来锁定冠状病毒的 S 蛋白,使其更容易分析,并能有效地将其转化为疫苗的候选分子。这一经验也使他们比其他研究这种新型病毒的研究团队更有优势。

揭开新冠病毒高传染性的秘密

为了解析新型冠状病毒的 S 蛋白的结构,McLellan 团队的研究人员首先根据已经公开的基因组序列,合成了新型冠状病毒 S 蛋白的膜外部分,然后用冷冻电镜解析 S 蛋白的三聚体结构。

这项成功的关键是采用了被称为低温电子显微镜或冷冻电镜 (cryo-EM) 的最先进技术。低温电子显微镜允许研究人员制作原子尺度的细胞结构、分子和病毒的三维模型。

由于新型冠状病毒与 SARS-CoV 病毒之间的结构同源性,因此研究人员对两种病毒进行了进一步比较,结果发现新型冠状病毒的 S 蛋白与 SARS 病毒整体上看相似度很高,但在结构上存在差异。

新冠病毒 S 蛋白结构除了解析新冠病毒的 S 蛋白结构,研究人员还利用表面等离子共振技术(SPR)分析了 S 蛋白与 ACE2 的亲和力。结果发现,新冠病毒 S 蛋白与 ACE2 的平衡解离常数 KD 是 15 nM,而 SARS 病毒 S 蛋白与 ACE2 的平衡解离常数 KD 竟然达到了 325.8nM。KD 值越大说明解离越多,S 蛋白与 ACE2 的亲和力越弱。

经过计算,新型冠状病毒 S 蛋白与 ACE2 的亲和力,是 SARS 病毒 S 蛋白与 ACE2 之间亲和力 10 到 20 倍。这也解释了为什么新冠病毒的传染性如此之强。

新冠疫苗呼之欲出

此前有研究认为,由于 SARS 病毒的 S 蛋白高度和新冠病毒 S 蛋白相似,因此,靶向 SARS 病毒 S 蛋白的抗体也有可能能够作用于 2019-nCoV。

为此,研究人员专门测试了三种用于结合 SARS 病毒 S 蛋白的单克隆抗体,结果发现这些抗体并不能与新冠病毒 S 蛋白产生交叉反应,这也意味着,SARS 病毒的抗体并不能用于新冠病毒, 针对新冠病毒必须重新设计抗体和疫苗。

Jason S. McLellan(左);论文共同第一作者、德克萨斯大学奥斯汀分校博士生 Daniel Wrapp(中)和研究助理王年爽(右)「当我们得知(2019-nCoV)是一种冠状病毒时,我们觉得必须马上采取行动。」McLellan 说,「我们可能是第一个得到这种结构的团队,而且我们确切地知道应该引入什么突变(以设计疫苗),因为我们已经证明这些突变对其他一些冠状病毒有效。

研究人员表示,虽然他们所制造的蛋白分子,以及获得的 S 蛋白结构,只代表了 S 蛋白的细胞外部分,但它足以引发人体的免疫反应,因此可以作为疫苗。

接下来,McLellan 的团队还计划利用这种分子做「探针」,从感染了新型冠状病毒并成功康复的患者体内分离出自然产生的抗体,如果数量足够大,这些抗体可以帮助治疗新冠病毒暴露不久后的感染。例如,可以在保护被送往高感染率地区的士兵或医护人员,使其从疫苗中获得免疫保护。

给力的西湖大学:解析 ACE2 全长结构

McLellan 等人认为,新型冠状病毒感染人体细胞的关键在于 S 蛋白与 ACE2 蛋白的结合,搞清楚新型冠状病毒 S 蛋白的结构,以及它与 ACE2 之间的相互作用,对于新型冠状病毒的传染作用有着重大意义。

所以,在对新型冠状病毒 S 蛋白结构解析成果的基础之上,对于 ACE2 受体的蛋白结构解析也成为科研探索道路上的一道重要关卡。

针对这个问题进行攻坚研究的西湖大学周强实验室团队,在 2 月 19 日以预印本的形式,发表了成功解析新冠病毒细胞受体 ACE2 全长结构的成果,成为新型冠状病毒研究方向上的另一个重大突破。

由于 ACE2 的广泛存在,该研究为新冠病毒以及 SARS 病毒感染的分子基础提供了直接线索,并可能促进潜在疗法的发展。

「总体而言,ACE2 全长结构的解析,将有助于理解冠状病毒进入靶细胞的结构基础和功能特征,对发现和优化阻断进入细胞的抑制剂有重要作用」,清华大学全球健康与传染病研究中心主任张林琦教授说。

值得一提的是,2014 年张林琦教授和清华大学生命学院王新泉教授所带领的团队,在 Science 子刊 Science Translational Medicine 首次报道关于中东呼吸系统综合征冠状病毒(MERS-CoV)的人源单克隆中和抗体,而当时还是清华大学生命学院 2009 级博士生的王年爽,也正是当时研究论文的共同第一作者。

正如 McLellan 所说:「我们最终成为第一批(解析出新冠病毒 S 蛋白结构的团队),部分原因是由于自己所在实验室强大的基础设施,这也突出了资助基础研究设施的重要性。」

而如今,以西湖大学校长施一公院士为代表的国内科研力量,已经在冷冻电镜技术领域取得了一系列重大成果。这次西湖大学周强实验室团队关于新冠病毒蛋白结构的解析,更是做到了世界首次。

我们有理由相信,随着抗击新冠病毒征程上一个又一个里程碑成果的发布,尤其是中国科研力量的崛起和贡献,新冠病毒疫苗及有效药物也将很快诞生。

与此同时,我们也应该认识到,疫苗研发等科研工作本就不是一蹴而就的事情,对于当今人类健康所面临的各种威胁,也还有许多未知等待科学家们探索。

参考资料:

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/02/18/science.abb2507

https://news.utexas.edu/2020/02/19/breakthrough-in-coronavirus-research-results-in-new-map-to-support-vaccine-design/

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