近日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院（廣州健康院）與廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院、廣州國家實驗室等單位合作在Emerging Microbes & Infections發(fā)表題為Shared IGHV1-69-encoded neutralizing antibodies contribute to the emergence of L452R substitution in SARS-CoV-2 variants的研究論文。
新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）引起的COVID-19大流行仍然在全球范圍內(nèi)肆虐。隨著群體免疫的逐步建立，新冠病毒持續(xù)突變以逃逸群體免疫壓力。自新冠病毒出現(xiàn)以后，衍生出了Alpha，Beta，Delta，Omicron等突變株，先后在世界范圍內(nèi)流行。新冠表面刺突蛋白（Spike）尤其是受體結(jié)合域（RBD）能夠與細胞受體ACE2結(jié)合并介導(dǎo)病毒進入，同時也是誘導(dǎo)產(chǎn)生中和抗體最主要的抗原。突變株的突變位點也主要集中在RBD區(qū)域，尤其是像K417，L452，E484，N501等位點的突變反復(fù)出現(xiàn)在不同的突變株中。此前大量研究表明這些位點的突變一方面能夠提升RBD與ACE2的結(jié)合能力從而增強病毒的感染和傳播，另一方面能夠逃逸免疫壓力。新流行株的出現(xiàn)通常需要能夠逃逸群體免疫才能夠大范圍流行。因此，探究新冠病毒突變事件的發(fā)生與群體免疫之間的內(nèi)在關(guān)系有助于我們理解新冠病毒的突變規(guī)律。
前期廣州健康院陳凌、熊曉犁、何俊、陳新文等團隊合作從新冠康復(fù)者中分離單克隆抗體并利用抗體組庫分析發(fā)現(xiàn)新冠感染和疫苗接種人群中廣泛存在一類由IGHV1-69編碼的中和抗體，被命名為類R1-32抗體譜系（相關(guān)報道見http://www.gibh.cas.cn/xwdt/kydt/202211/t20221112_6547852.html）。類R1-32抗體靶向病毒蛋白受體結(jié)合域（RBD）半隱藏表位，通過打開刺突蛋白并將其瓦解的方式阻止病毒進入細胞。L452R單點突變能夠顯著降低類R1-32抗體的親和力和中和活性，提示L452R具備逃逸群體抗體的能力。因此，研究人員推測人群中廣泛存在的IGHV1-69抗體是L452R突變形成的關(guān)鍵驅(qū)動力。為了證實這一猜想，本研究首先分析了當(dāng)前能夠獲取到的221株解析了結(jié)構(gòu)的新冠人源單克隆抗體，發(fā)現(xiàn)其中超過三分之一與L452位點存在相互作用。進一步分析發(fā)現(xiàn)這些能夠與L452發(fā)生相互作用的單克隆中和抗體主要是由IGHV1-69，IGHV1-2，IGHV3-30和IGHV3-11基因編碼。然而，抗體組庫分析發(fā)現(xiàn)只有IGHV1-69編碼的L452靶向抗體廣泛存在于新冠感染人群中（圖1）。
為了探究為什么IGHV1-69編碼的L452靶向抗體會被廣泛誘導(dǎo)，通過比較IGHV1-69與非IGHV1-69抗體與RBD的結(jié)合模式，發(fā)現(xiàn)IGHV1-69抗體都是利用HCDR2區(qū)域的胚系疏水氨基酸就能夠與L452，F(xiàn)490，L492構(gòu)成的疏水區(qū)相互作用。然而，其它非IGHV1-69抗體則需要利用體細胞突變或VDJ重排后HCDR3中攜帶的疏水氨基酸與L452發(fā)生相互作用（圖2）。通過分析人抗體胚系基因（germline）的疏水性發(fā)現(xiàn)，只有IGHV1-69胚系基因HCDR2區(qū)域包含多個疏水氨基酸。因此，IGHV1-69抗體不需要發(fā)生體細胞突變就能夠天然與L452相互作用。通過親和力實驗和真病毒中和實驗證明在452位點由疏水氨基酸L突變成親水氨基酸R幾乎能夠逃逸所有IGHV1-69的抗體結(jié)合與中和。
研究人員進一步分析發(fā)現(xiàn)IGHV1-69抗體在Omicron BA.1（不攜帶L452突變）突破感染的病人抗體組庫中顯著富集，然而在Delta（攜帶L452R）突破感染病人的抗體組庫中沒有觀察到這一現(xiàn)象。通過分析Omicron BA.1突破感染病人的抗體組庫中富集的IGHV1-69抗體序列后發(fā)現(xiàn)，這些富集的抗體主要是類R1-32譜系。與R1-32類似，這些從BA.1突破感染者體內(nèi)分離得到的類R1-32抗體同樣對L452R高度敏感。以上結(jié)果說明IGHV1-69抗體在Omicron BA.1突破感染者體內(nèi)的顯著富集進一步增加了對L452位點的選擇壓力。該結(jié)果也解釋了為什么BA.1出現(xiàn)之后很快又出現(xiàn)了攜帶L452R，L452Q或L452M的Omicron亞型如BA.2.12.1，BA.2.13和BA.4/BA.5等。
綜上，本研究解析了L452R與IGHV1-69人群抗體的內(nèi)在聯(lián)系，提供證據(jù)表明IGHV1-69抗體尤其是研究團隊前期發(fā)現(xiàn)的類R1-32抗體譜系是L452R突變形成的重要驅(qū)動力。該探究有助于我們深入理解中和抗體介導(dǎo)的免疫選擇壓力，為闡釋變異株的起源和免疫逃逸機制提供了依據(jù)。
廣州健康院陳凌研究員、熊曉犁研究員和廣州醫(yī)科大學(xué)趙金存教授為本論文共同通訊作者。廣州健康院博士研究生顏奇鴻和黃曉涵、碩士研究生侯瑞田、廣州醫(yī)科大學(xué)張艷君博士為本論文共同第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣州實驗室應(yīng)急攻關(guān)項目等資助。
圖1. IGHV1-69編碼的靶向L452的抗體的人群分布
圖2. IGHV1-69、非IGHV1-69抗體與RBD結(jié)合模式的比較
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