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《Science》重磅發文:新冠病毒中和抗體來了

Science》重磅發文:新冠病毒中和抗體來了

國際疫情形勢嚴峻,全球科研人員紛紛投入 COVID-19 實驗室診斷、治療藥物及疫苗等研究。其中,能預防病毒感染和有效治療的「中和抗體」被寄予厚望。中和抗體可以阻斷病毒與宿主細胞受體的結合,使病毒顆粒聚集,並透過抗體介導的免疫調理作用 (Opsonization) 或補體活化使病毒裂解。

知名科學期刊《Science》近期兩篇文章相繼報導了 SARS-CoV-2 RBD (Receptor binding domain) 的蛋白晶體結構 [1, 2]Daniel Wrapp 研究團隊發現 SARS-CoV-2 RBD 與宿主細胞表面受體蛋白 ACE2 (Angiotensin I–converting enzyme 2) 的結合力,比 SARS-CoV RBDACE2 的結合力強 10-20 倍;並測試了三種不同克隆的 SARS-CoV 中和抗體 —— [S230][m396][80R],與 SARS-CoV-2 RBD 的結合作用,但很遺憾地發現它們都不會與 SARS-CoV-2 RBD 結合 [2]

Meng Yuan 研究團隊同樣地鑑定了 SARS-CoV-2 RBD 晶體結構,此外還通過生物膜干涉技術 (BLI) 觀測到 SARS-CoV 中和抗體 [CR3022] 克隆對 SARS-CoV-2 RBD 具有較強的結合力 ([CR3022] IgG[CR3022] FabSARS-CoV-2 RBDKd 解離常數分別為 <0.1 nM115±3 nM),ELISA 實驗數據也支持 [CR3022] 能與 SARS-CoV-2 RBD 以及 SARS-CoV-2 病毒結合 [1]。此研究結果,與之前復旦大學應天雷教授和石正麗研究員的發現相互印證,他們利用 BLIELISA,發現 SARS-CoV 中和抗體 [CR3022]SARS-CoV-2 RBD 具有很強的結合作用 (Kd 解離常數達到 6.3 nM),該作用甚至強於 SARS-CoV-2 RBD 與宿主受體 ACE2 之間的結合作用 (Kd 解離常數為 15.2 nM);而其它 SARS-CoV 中和抗體 —— [m396][CR3014] 克隆,則與 SARS-CoV-2 RBD 不具有或僅有極微弱的結合作用 [3]

BLI 和蛋白晶體結構分析數據均證明,[CR3022] 抗體的抗原決定位 (Epitope)RBD-ACE2 結合位點沒有重疊 [1]。進一步分析蛋白晶體結構,發現 [CR3022]SARS-CoV-2 RBD 的結合與 RBD“呼吸模式”有關。同源三聚體 (Homotrimer) SARS-CoV-2 Spike 蛋白 (S protein)RBD 會像鉸鏈一樣在“上”構象和“下”構象間轉換。晶體結構分析指出,ACE2 只能和處在“上”構象的 RBD 結合,而不能與“下”構象的 RBD 結合。同樣的,[CR3022] 只能與“上”構象的 SARS-CoV-2 RBD 結合,而 [CR3022] 與“下”構象的 RBD 的結構疊合,將會使 [CR3022] 可變區 (Variable region) 與“下”構象的 RBD 鄰近的單聚體、“下”構象單聚體下的 S2 產生衝突 (Clash),而 [CR3022] 穩定區 (Constant region) 則會和 NTD (N-terminal domain) 產生衝突。晶體模型提出,只要 Spike 蛋白三聚體中至少兩個處在“上”構象、並輕微地旋轉,即可避免 [CR3022]SARS-CoV-2 RBD 的衝突 [1]

雖然《Science》文章報導在體外微中和實驗 (Microneutralization assay) 中,[CR3022] 在高達 400 μg/ml 濃度下都沒有看到中和 SARS-CoV-2 病毒的效果,但是不能排除 [CR3022] 能在體內起到保護個體、抵禦 SARS-CoV-2 攻擊的作用 [1]。因為之前有研究發現,A 型流感病毒 HA 蛋白三聚體表面的保守抗原決定位也與 SARS-CoV-2 有類似同樣的“呼吸模式” [4, 5, 6],而靶向 A 型流感病毒 HA 三聚體表面抗原決定位的抗體在體外也同樣沒有中和作用,但卻可以在體內起到保護個體、抵禦 A 型流感病毒攻擊的效果 [7]。在體外抗體沒有中和作用但是在體內有保護作用的現象,還在皰疹病毒 [8]、巨細胞病毒 [9]、西部馬腦炎病毒 [10] 和登革熱病毒 [11] 模型中觀察到,因此 [CR3022] 抗體能否在動物模型中起到抗 SARS-CoV-2 的效果,仍須等待體內動物模型的進一步驗證。

之前曾有文獻報導指出,靶向不同 RBD 抗原決定位的 [CR3022][CR3014] 這兩個不同克隆抗體的組合,可以有效地控制 SARS-CoV 病毒突變造成的免疫逃脫 (Immune escape),使個體能更廣泛地抵禦突變病毒株攻擊。而抗體組合的協同作用可將使用抗體總濃度顯著降低,卻依然能達到單個克隆抗體相當的中和病毒效果 [12]鑑於 [CR3022] 抗體與 SARS-CoV-2 RBD 結合模式的獨特性,即其抗原決定位不與 ACE2-RBD 結合位點重疊,因此 [CR3022] 抗體除了可能在體內成為單獨有效的 SARS-CoV-2 病毒中和抗體,作為未來中和抗體組合中候選一員的可能性也值得科學家們投以關注。

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References

  1. Yuan, M. et al. A highly conserved cryptic epitope in the receptor binding domains of SARS-CoV-2 and SARS-CoV. Science. 2020 May 8;368(6491):630-633. PMID: 32245784
  2. Wrapp, D. et al. Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science. 2020 Mar 13;367(6483):1260-1263. PMID: 32075877
  3. Tian, X. et al. Potent binding of 2019 novel coronavirus spike protein by a SARS coronavirus-specific human monoclonal antibody. Emerg Microbes Infect. 2020 Feb 17;9(1):382-385. PMID: 32065055
  4. Bangaru, S. et al. A Site of Vulnerability on the Influenza Virus Hemagglutinin Head Domain Trimer Interface. Cell. 2019 May 16;177(5):1136-1152.e18. PMID: 31100268
  5. Watanabe, A. et al. Antibodies to a Conserved Influenza Head Interface Epitope Protect by an IgG Subtype-Dependent Mechanism. Cell. 2019 May 16;177(5):1124-1135.e16. PMID: 31100267
  6. Bajic, G. et al. Influenza Antigen Engineering Focuses Immune Responses to a Subdominant but Broadly Protective Viral Epitope. Cell Host Microbe. 2019 Jun 12;25(6):827-835.e6. PMID: 31104946
  7. Lee, J. et al. Molecular-level analysis of the serum antibody repertoire in young adults before and after seasonal influenza vaccination. Nat Med. 2016 Dec;22(12):1456-1464. PMID: 27820605
  8. Petro, C. et al. Herpes simplex type 2 virus deleted in glycoprotein D protects against vaginal, skin and neural disease. Elife. 2015 Mar 10;4:e06054. PMID: 25756612
  9. Bootz, A. et al. Protective capacity of neutralizing and non-neutralizing antibodies against glycoprotein B of cytomegalovirus. PLoS Pathog. 2017 Aug 30;13(8):e1006601. PMID: 28854233
  10. Burke, C. W. et al. Human-Like Neutralizing Antibodies Protect Mice from Aerosol Exposure with Western Equine Encephalitis Virus. Viruses. 2018 Mar 24;10(4):147. PMID: 29587363
  11. Henchal, E. A. et al. Synergistic interactions of anti-NS1 monoclonal antibodies protect passively immunized mice from lethal challenge with dengue 2 virus. J Gen Virol. 1988 Aug;69 (Pt 8):2101-7. PMID: 3404125
  12. ter Meulen, J. et al. Human monoclonal antibody combination against SARS coronavirus: synergy and coverage of escape mutants. PLoS Med. 2006 Jul;3(7):e237. PMID: 16796401
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