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从分子互作水平解读，为何新冠突变体传染能力增强？
人阅读 发布时间：2021-05-13 16:55
繁殖不息，突变不止，进化不断——这个是所有物种的共性，尤其是已经肆虐了一年多的新冠病毒。病毒的突变不一定会使得病毒自身毒性更强，但往往会导致传染能力更强。新冠病毒S蛋白与人受体ACE2的分子结合能力是决定病毒传染能力强弱重要的因素之一。一个新冠病毒突变株的氨基酸突变点非常多，但是最值得关注就是那些位于S蛋白与人受体ACE2的结合部分（RBD结构域）的突变，可以直接影响其与受体的结合亲和力，从而改变其感染能力。
在2021年2月，CNS连续发表了多篇关于新冠病毒突变株的研究，发现这些突变株的传染能力增强了。他们的技术路线都是从检测S蛋白和受体的结合亲和力开始，都采用了基于生物层干涉技术的Octet互作分析系统。因此陈老湿给大家好好聊聊“从分子互作水平解读，为何新冠突变体传染能力增强？”
G614突变株与人受体亲和力
G614（新冠病毒S蛋白614位点D突变成G）突变体毒株于去年2月22日前后在欧洲出现。3月1日之前，欧洲地区以外的其他地区很少发现这一类型突变体毒株，但此后，G614突变体便在全球范围内迅速扩散，成为目前传播感染的主要病毒类型。
瑞士病毒与免疫学研究所、德国弗里德里希-勒夫勒研究院和美国疾病控制与预防中心的研究人员通过分子结合水平和动物模型，揭示了为什么D614G变体能够比野生型病毒在传染性方面更占优势。相关研究结果于近期在线发表于Nature期刊[2]。
分子水平的检测主要是通过生物层干涉技术（BLI）检测614D野生型及614G突变体刺突蛋白（S蛋白）与hACE2的结合能力，结果发现S-614G与hACE2的亲和性比S-614D高出2倍左右。
不同温度下G614突变株与人受体亲和力
日本国家传染病研究中心的科学家也得到了类似的结论。研究人员的工作非常细致，分析了不同温度下的结合亲和力。相比其他Octet机型，RED96e系统有降温功能，使得温度控制更精确。该课题组也发现了S-614G与hACE2的亲和性和S-614D差异在2倍左右！（同样在30℃检测）。研究结果发布于Nature Communication期刊【3】。
用AHC传感器固化Fc-ACE2与S蛋白进行结合解离。614G的亲和力在不同温度下均高于614D。随着温度升高，亲和力逐渐减弱。
虽然两篇文章在Octet上使用的同样方法（AHC传感器固化ACE2检测S蛋白），绝对的亲和力略有差异，原因可能是所用的S蛋白不一样——前者用的是S1亚基，而后者是全长S蛋白，不过野生和突变株的亲和力差异均是2倍左右。
分子结合亲和力是否可以验证新冠突变体的感染能力？
前面一篇Nature文章做了一个很有意思的实验。首先用1:1混合的S-614D及S-614G病毒对仓鼠和水貂进行感染实验。过了两天后发现，614G就成为体内的主要病毒株了。不同温度下的亲和力结果也证明，随着温度升高，新冠病毒感染能力减弱的事实。说明分子结合亲和力水平的变化和功能学实验的结果具有一致性！
仓鼠攻毒实验，2天后614G成为毒株
英国–B.1.1.7，南非–B.1.351突变株的亲和力增强会降低中和抗体的效果
AR2G传感器固化S RBD，与ACE2结合解离。B.1.1.7（501Y）的亲和力比N501高了19倍，主要体现在解离速率的差异。
WT RBD (501N)-ACE2: KD 75.1nM (Kon 3.88E4 /Ms, Koff 2.92E-3 /s), RBD (501Y)-ACE2: KD 10.7 nM (Kon 6.38E4 /Ms, Koff 6.85E-4/s)
AR2G传感器固化S RBD，与ACE2结合解离。
B.1.351的亲和力比original高了19倍，比B.1.1.7高了2.7倍，主要体现在解离速率的差异。
B.1.351:KD=4.0 nM, Kon 4.78E4 /Ms；Koff 1.93E-4 /s
这两篇Cell文章的发现表明让人担心的事情终于出现了！这些突变都降低了中和抗体对这些病毒中和能力，就是说以前的疫苗或者中和抗体药物可能不起作用了。
Octet检测发现，很多中和抗体对突变株的结合明显变弱了，其中包含一些正在研发甚至上市的抗体药物（研发人员哭晕在厕所）。
当然，作者还解析了S蛋白突变体的结构，并从分子结构水平论述了与ACE2亲和力增强的原因。
任何研究都是通过现象研究本质。新冠的传播能力增强是现象，而本质之一就是通过分子互作的研究发现蛋白的结合能力发生了变化。这点在新冠病毒侵染机制和药物研发上体现得淋漓尽致。目前有近40篇关于新冠的CNS和600多篇其他文章用到了BLI技术，包括各种小分子中和抗体、疫苗以及机制研究等。其实除了这里介绍的两篇Cell文章，牛津大学近期还发表一篇关于新冠病毒中和抗体表位研究的文章[6]，用Octet RED96（8通道系统）完成了4000多对抗体的表位分型工作（epitope binning）。
陈老湿估摸，像牛津大学、各国CDC以及传染病研究中心等新冠研究单位的Octet都在日夜连轴转。如果觉得通量不够，陈老湿力荐Octet高通量系统：Octet RED384（16通道）和Octet HTX（96通道）。
-参考文献-
[1]Tracking Changes in SARS-CoV-2 Spike: Evidence that D614G Increases Infectivity of the COVID-19 Virus.Cell
[2]SARS-CoV-2 spike D614G change enhances replication and transmission.Nature 2021.
[3] SARS-CoV-2 D614G spike mutation increases entry efficiency with enhanced ACE2-binding affinity.nature communication.
[4] Evidence of escape of SARS-CoV-2 variant B.1.351 from natural and vaccine induced
Sera.Cell,2021
[5] Reduced neutralization of SARS-CoV-2 B.1.1.7 variant by convalescent and vaccine sera.Cell,2021
[6] The antigenic anatomy of SARS-CoV-2 receptor binding domain.Cell,2021
在2021年2月，CNS连续发表了多篇关于新冠病毒突变株的研究，发现这些突变株的传染能力增强了。他们的技术路线都是从检测S蛋白和受体的结合亲和力开始，都采用了基于生物层干涉技术的Octet互作分析系统。因此陈老湿给大家好好聊聊“从分子互作水平解读，为何新冠突变体传染能力增强？”
G614（新冠病毒S蛋白614位点D突变成G）突变体毒株于去年2月22日前后在欧洲出现。3月1日之前，欧洲地区以外的其他地区很少发现这一类型突变体毒株，但此后，G614突变体便在全球范围内迅速扩散，成为目前传播感染的主要病毒类型。
分子水平的检测主要是通过生物层干涉技术（BLI）检测614D野生型及614G突变体刺突蛋白（S蛋白）与hACE2的结合能力，结果发现S-614G与hACE2的亲和性比S-614D高出2倍左右。
Octet RED96系统，用anti-Human Capture传感器固化ACE2，与不同突变的S蛋白结合，测试温度30℃。
日本国家传染病研究中心的科学家也得到了类似的结论。研究人员的工作非常细致，分析了不同温度下的结合亲和力。相比其他Octet机型，RED96e系统有降温功能，使得温度控制更精确。该课题组也发现了S-614G与hACE2的亲和性和S-614D差异在2倍左右！（同样在30℃检测）。研究结果发布于Nature Communication期刊【3】。
用AHC传感器固化Fc-ACE2与S蛋白进行结合解离。614G的亲和力在不同温度下均高于614D。随着温度升高，亲和力逐渐减弱。
虽然两篇文章在Octet上使用的同样方法（AHC传感器固化ACE2检测S蛋白），绝对的亲和力略有差异，原因可能是所用的S蛋白不一样——前者用的是S1亚基，而后者是全长S蛋白，不过野生和突变株的亲和力差异均是2倍左右。
前面一篇Nature文章做了一个很有意思的实验。首先用1:1混合的S-614D及S-614G病毒对仓鼠和水貂进行感染实验。过了两天后发现，614G就成为体内的主要病毒株了。不同温度下的亲和力结果也证明，随着温度升高，新冠病毒感染能力减弱的事实。说明分子结合亲和力水平的变化和功能学实验的结果具有一致性！
仓鼠攻毒实验，2天后614G成为毒株
英国–B.1.1.7，南非–B.1.351突变株的亲和力增强会降低中和抗体的效果
去年年底，又涌现出了英国–B.1.1.7，南非–B.1.351等突变株，前者在S蛋白与ACE2结合结构域的突变位点为N501Y，后者除了N501Y，还有K417N和E484K两个位点。牛津大学的研究人员在Cell上发表了两篇背靠背的文章【4】【5】，用Octet系统检测了这些突变株的S蛋白与人受体ACE2的亲和力，结果发现这些突变体的结合亲和力都变强了！
AR2G传感器固化S RBD，与ACE2结合解离。B.1.1.7（501Y）的亲和力比N501高了19倍，主要体现在解离速率的差异。
WT RBD (501N)-ACE2: KD 75.1nM (Kon 3.88E4 /Ms, Koff 2.92E-3 /s), RBD (501Y)-ACE2: KD 10.7 nM (Kon 6.38E4 /Ms, Koff 6.85E-4/s)
AR2G传感器固化S RBD，与ACE2结合解离。
B.1.351的亲和力比original高了19倍，比B.1.1.7高了2.7倍，主要体现在解离速率的差异。
B.1.351:KD=4.0 nM, Kon 4.78E4 /Ms；Koff 1.93E-4 /s
这两篇Cell文章的发现表明让人担心的事情终于出现了！这些突变都降低了中和抗体对这些病毒中和能力，就是说以前的疫苗或者中和抗体药物可能不起作用了。
Octet检测发现，很多中和抗体对突变株的结合明显变弱了，其中包含一些正在研发甚至上市的抗体药物（研发人员哭晕在厕所）。
当然，作者还解析了S蛋白突变体的结构，并从分子结构水平论述了与ACE2亲和力增强的原因。
任何研究都是通过现象研究本质。新冠的传播能力增强是现象，而本质之一就是通过分子互作的研究发现蛋白的结合能力发生了变化。这点在新冠病毒侵染机制和药物研发上体现得淋漓尽致。目前有近40篇关于新冠的CNS和600多篇其他文章用到了BLI技术，包括各种小分子中和抗体、疫苗以及机制研究等。其实除了这里介绍的两篇Cell文章，牛津大学近期还发表一篇关于新冠病毒中和抗体表位研究的文章[6]，用Octet RED96（8通道系统）完成了4000多对抗体的表位分型工作（epitope binning）。
陈老湿估摸，像牛津大学、各国CDC以及传染病研究中心等新冠研究单位的Octet都在日夜连轴转。如果觉得通量不够，陈老湿力荐Octet高通量系统：Octet RED384（16通道）和Octet HTX（96通道）。
-参考文献-
[1]Tracking Changes in SARS-CoV-2 Spike: Evidence that D614G Increases Infectivity of the COVID-19 Virus.Cell
[2]SARS-CoV-2 spike D614G change enhances replication and transmission.Nature 2021.
[3] SARS-CoV-2 D614G spike mutation increases entry efficiency with enhanced ACE2-binding affinity.nature communication.
[4] Evidence of escape of SARS-CoV-2 variant B.1.351 from natural and vaccine induced
Sera.Cell,2021
[5] Reduced neutralization of SARS-CoV-2 B.1.1.7 variant by convalescent and vaccine sera.Cell,2021
[6] The antigenic anatomy of SARS-CoV-2 receptor binding domain.Cell,2021
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