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影响SARS-CoV-2 S蛋白与ACE2和中和行抗体结合的关键氨基酸相关研究

已有 979 次阅读 2020-6-23 21:14 |个人分类:读后感|系统分类:论文交流| SARS-CoV-2, S蛋白, ACE2, 抗体结合

影响SARS-CoV-2 S蛋白与ACE2和中和行抗体结合的关键氨基酸相关研究

本文为读后感,原文见文后,读后感作者侯鹏姣

目前,由新型人类冠状病毒SARS-CoV-2引起的2019年冠状病毒疾病(COVID-19)是全球公共卫生的主要威胁。通过对该病毒的基因测序表明SARS-CoV-2与SARS-CoV相似性很高。因此,前期关于SARS-CoV的大量研究提供的有用信息,可直接用于对抗SARS-CoV-2。但是新型冠状病毒在某些方面(如抗原表位)也具有不同的特征,需要进一步深入研究。该博文介绍的主要内容是近期发表在“Cellular & Molecular Immunology”的一篇研究论文,该文章揭示了SARS-CoV和SARS-CoV-2之间存在不同的关键抗原表位,这为疫苗和抗体的研发提供了更全面的信息。

前期研究表明,SARS-CoV-2使用与SARS-CoV相同的病毒入侵机制,即通过其表面的S蛋白中的RBD结合人类功能受体ACE2(hACE2)从而完成病毒的入侵,这是病毒进入靶胞的关键步骤。通过对两种病毒的序列比对发现,RBD的同源性只有73.5%,而RBD的功能基序(RBM)的同源性仅47.8%。尽管两种病毒RBM序列差异显著,但仍可以引起抗体交叉反应,因此其中的机制有待阐明。作者主要通过以下几个方面进行验证。

1. SARS-CoV和SARS-CoV-2 RBD均通过与hACE2结合以感染细胞

研究者分别构建可表达S蛋白的SARS-CoV与SARS-CoV-2的假病毒进行细胞感染实验,实验结果显示,相对于对照组,表达ACE2的HEK293T细胞对SARS或SARS-CoV-2病毒更易感。

为了进一步探究S蛋白在SARS-CoV与SARS-CoV-2感染入侵种的重要性,作者又设计了合胞体实验进行验证。利用HEK293T细胞分别表达ACE2蛋白与SARS-CoV与SARS-CoV-2的S蛋白,发现两种细胞可融合形成合胞体。

除此之外,作者还通过BLI和ELISA实验定量的分析ACE2与S蛋白之间的亲和力,BLI结果表明,SARS-CoV-2-RBD 与hACE2结合的解离常数为5.09nM,而对于SARS-CoV-RBD为1.46nM。

2. SARS-CoV RBD和SARS-CoV-2 RBD的独特免疫原性

基于两种病毒RBD序列之间的保守性(76%),作者进一步确定两种病毒的RBD是否引起交叉反应免疫反应,以提供对两种病毒的保护。

研究者首先设计体内免疫实验,分别用重组表达的SARS-CoVS和SARS-CoV-2 S蛋白注射到小鼠体内,引起小鼠的体内免疫反应。将小鼠免疫血清分别与两种病毒的RBD进行ELISA实验,结果表明小鼠的免疫血清对同种病毒的RBD具有强的结合能力,但是对另一种病毒RBD的结合能力较低;

研究者进一步利用小鼠产生的免疫血清,阻断ACE2和RBD之间的结合,证实了免疫血清对相同病毒具有显著抑制作用,但对另一种病毒交叉保护效率很低。同时,作者结合加病毒中和实验,研究两种病毒之间的交叉免疫保护反应,结果显示,两种病毒之间交叉保护效率很低,表明两种病毒具有不同的免疫原性。

3. 确定影响SARS-CoV和SARS-CoV-2中影响RBD受体结合水平的关键氨基酸

高分辨率的晶体结构显示,RBM形成了S蛋白和ACE2相互作用的表面,结合结构生物学信息,作者设计了一系列突变以确定核心氨基酸。其中,9个氨基酸的突变(SARS-CoV-2 to SARS-CoV)可以使得SARS-CoV-2 RBD与ACE2之间的亲和力完全丧失;而6种突变可以增强它们之间的亲和力。

作者进一步将SARS-CoV中的6个氨基酸替换为SARS-CoV-2中的相应氨基酸,亲和力显著降低。作者还进一步分析并确定了SARS-CoV和SARS-CoV-2中RBD-ACE2的关键识别位点是不同的,这也解释了为什么两种病毒无法引起交叉免疫保护。

4. 突变实验确定影响病毒中和实验和单克隆抗体结合的核心氨基酸

作者分别选取了6种中和性单克隆抗体:5种针对SARS-CoV(80R, S230, m396, CR3022 和 N-176-15);1种针对SARS-CoV-2(HA001)。利用中和抗体鉴定两种病毒的免疫原性,发现除 CR3022外,其他抗体只能结合一种病毒,假病毒试验也说明两种抗体均无法中和另一种病毒。

在此基础上,作者通过对SARS-CoV-2和SARS-CoV设计出一系列突变实验,对影响RBD与中和抗体结合的核心氨基酸进行鉴定。

总体而言,以上研究表明SARS-CoV和SARSCoV-2之间存在不同的抗原表位,并对这些关键核心位点进行了确认。这表明有必要开发新的预防性疫苗和抗体药物来特异性控制COVID-19大流行。


原文链接:https://www.nature.com/articles/s41423-020-0458-z




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