COVID-19研究的突破性成果：新图示支持疫苗设计（附原文）

诸平

Fig.1 A 3D atomic scale map, or molecular structure, of the 2019-nCoV spike protein. The protein takes on two different shapes, called conformations--one before it infects a host cell, and another during infection. This structure represents the protein before it infects a cell, called the prefusion conformation. Credit: Jason McLellan/Univ. of Texas at Austin

之前介绍过科学家竞相研发新型冠状病毒疫苗，今天介绍美国德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin，UT at Austin）2020年2月19日提供的消息，该校分子生物科学系（Department of Molecular Biosciences）的研究人员和美国国立卫生研究院(National Institutes of Health, NIH) 过敏和传染病研究所（National Institute of Allergy and Infectious Diseases）下属的疫苗研究中心（Vaccine Research Center, VRC）的研究人员合作，在创建2019年新型冠状病毒(2019-nCoV现更名为COVID-19)疫苗方面取得了重大突破，方法是创建该病毒附着并感染人类细胞的部分首个3-D原子比例图（3-D atomic scale map，图1所示）。图1是2019-nCoV刺突蛋白（2019-nCoV spike protein）的3D原子尺度图即分子结构图。这种蛋白质具有两种不同的构象：一种在感染宿主细胞之前发生，另一种在感染期间发生。这种结构代表了蛋白质感染细胞之前的蛋白质，称为融合前构象（prefusion conformation）。绘制这部分称为刺突蛋白(spike protein)的图谱是必不可少的步骤，因此全世界的研究人员可以开发疫苗和抗病毒药物来对抗这种病毒。该论文于2020年2月19日已经在《科学》（Science）杂志上发表——Daniel Wrapp, Nianshuang Wang, Kizzmekia S. Corbett, Jory A. Goldsmith, Ching-Lin Hsieh, Olubukola Abiona, Barney S. Graham, Jason S. McLellan. Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science, 19 Feb 2020: eabb2507. DOI: 10.1126/science.abb2507. 2019-nCoV Science.pdf

此科学研究团队还正在研究一项相关的可行疫苗候选者。

领导该研究的UT at Austin副教授詹森·麦克莱伦（Jason McLellan）和他的同事们花了很多年研究其他冠状病毒，包括SARA冠状病毒（SARS-CoV）和MERS冠状病毒（MERS-CoV）。他们已经开发出了将冠状病毒刺突蛋白锁定为某种形状的方法，这些形状使它们易于分析，并且可以有效地将其转变为疫苗的候选对象。这种经验使他们比其他研究新病毒的研究小组更具优势。

“一旦我们知道这是一种冠状病毒，我们就兴奋地要跳起来。”詹森·麦克莱伦说：“因为我们可能是最早获得这种结构的人之一。我们确切知道要对该基因进行哪些突变，因为我们已经显示出这些突变可用于其他许多冠状病毒。”

这项研究的大部分工作是由该研究论文的第一作者，UT at Austin的博士生Daniel Wrapp和助理研究员王年双（Nianshuang Wang音译）完成。

在从中国研究人员那里获得该病毒的基因组序列后仅两周时间，此研究小组就设计并生产了其稳定的刺突蛋白样品。大约花了12天的时间来重建刺突蛋白的3-D原子尺度图（即分子结构），2020年2月10日将手稿提交给《科学》杂志编辑部，从而进入了加快其同行评审流程，根据评审结果2月17日编辑部已经同意接受此稿，2月19日已经在《科学》杂志网站在线发表，足以可见其速度之快。因为此过程涉及到许多步骤，通常需要几个月的时间才能完成。

Fig.2 Jason S. McLellan, associate professor of molecular biosciences, left, and graduate student Daniel Wrapp, right, work in the McLellan Lab at The University of Texas at Austin Monday Feb. 17, 2020. Credit: Vivian Abagiu/Univ. of Texas at Austin

图2是分子生物学副教授詹森·麦克莱伦(Jason S. McLellan, 左）和研究生Daniel Wrapp（右）在2020年2月17日在德克萨斯大学奥斯汀分校詹森·麦克莱伦实验室的工作照。

他们获得成功的关键在于UT at Austin新萨澳结构生物学实验室（UT Austin's new Sauer Laboratory for Structural Biology）中被称为低温电子显微镜（cryogenic electron microscopy,简称cryo-EM）的最新技术。Cryo-EM可使研究人员建立细胞结构、分子和病毒的原子级3-D模型。

詹森·麦克莱伦说：“由于萨澳实验室的基础设施，我们最终成为了获得新冠病毒3D结构图的第一人。” “它凸显了为基础研究设施提供资金的重要性。”此研究小组生产并为其获得结构的分子仅代表刺突蛋白的细胞外部分，但足以在人体内引发免疫反应，因此可以用作疫苗。下一步的工作，詹森·麦克莱伦研究小组计划使用他们的分子对引起COVID-19的病毒进行另一道攻击，利用该分子作为“探针”，从感染了新型冠状病毒并成功康复的患者中分离出天然产生的抗体。以这些抗体的足够量，可以使那些暴露于COVID-19病毒之后，免遭迅速感风险。例如，这些抗体可以保护急救人员或卫生保健工作者在被送往感染率高的地区的情况下，在短时间内无法使疫苗产生免疫力。位于美国马里兰州贝塞斯达的NIH疫苗研究中心（NIH's Vaccine Research Center in Bethesda, Maryland）副主任Barney Graham帮助监督了实验并共同撰写了手稿。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

2019-nCoV Science.pdf

Abstract

The outbreak of a novel betacoronavirus (2019-nCoV) represents a pandemic threat that has been declared a public health emergency of international concern. The CoV spike (S) glycoprotein is a key target for vaccines, therapeutic antibodies, and diagnostics. To facilitate medical countermeasure (MCM) development, we determined a 3.5 Å-resolution cryo-EM structure of the 2019-nCoV S trimer in the prefusion conformation. The predominant state of the trimer has one of the three receptor-binding domains (RBDs) rotated up in a receptor-accessible conformation. We also show biophysical and structural evidence that the 2019-nCoV S binds ACE2 with higher affinity than SARS-CoV S. Additionally, we tested several published SARS-CoV RBD-specific monoclonal antibodies and found that they do not have appreciable binding to 2019-nCoV S, suggesting antibody cross-reactivity may be limited between the two RBDs. The structure of 2019-nCoV S should enable rapid development and evaluation of MCMs to address the ongoing public health crisis.