2019-nCoV潜在的T细胞与B细胞抗原表位

撰文 | 珊今

责编 | 雪月

漫漫人类抗疫史，在疫苗出现之前，一次疫病的爆发就往往意味着大规模的人口锐减。而疫苗的出现使得一大批瘟神偃旗息鼓，灰头土脸逃出历史长河。2019-nCoV出现之后，科学家们对于其疫苗的研发也在紧锣密鼓的进行中。负责免疫的T细胞以及B细胞对于抗原的识别都依赖于抗原的抗原表位（Epitopes），因此对于2019-nCoV潜在的T细胞与B细胞的抗原表位进行研究，无疑将为开发更有效的疫苗并鉴定中和抗体（Neutralizing antibodies）提供有力的理论支撑。

2020年2月21日，斯坦福大学Ethan Fast和陈滨滨在预印版平台bioRxiv发表文章Potential T-cell and B-cell Epitopes of 2019-nCoV，对2019-nCoV潜在的T细胞与B细胞抗原表位进行了深入的探讨。作者结合结构生物学和机器学习的计算工具，基于病毒蛋白抗原呈递和抗体结合特性来识别2019-nCoV的T细胞和B细胞的抗原表位，并用SARS-CoV的实验数据验证了计算的有效性。他们鉴定出了405个病毒肽，它们对于人类MHC-I和MHC-II等位基因具有良好抗原呈递分数；以及2019-nCoV刺突蛋白受体（Spike Protein Receptor）结合结构域附近的两个潜在的中和B细胞表位（440-460和494-506）。他们分析了来自四大洲的68个病毒基因组的突变谱，并确定了96处突变，而这些突变更多地出现在具有良好MHC-I抗原呈递分数的区域，刺突蛋白受体结合域附近没有突变存在。

在2019-nCoV中识别T细胞和B细胞表位的计算流程

冠状病毒在2002年SARS爆发之后被人熟知，这类正义单链RNA病毒至今仍时不时肆虐，如眼下的2019-nCoV，再如前几年的MERS。人们期盼着能有冠状病毒的疫苗被开发出来造福大众，然而，迄今为止还没有任何一种冠状病毒的疫苗通过临床试验，无论是人类还是其他动物中的试验。在动物模型中，灭活的全病毒疫苗由于缺乏集中的抗原表位而不能提供完全的保护。SARS-CoV和MERS-CoV的疫苗也导致小鼠过敏和免疫病理反应。冠状病毒株之间的多样性为我们提出了另一个挑战，因为在冠状病毒属中至少有6个不同的亚组（Subgroup）。尽管SARS-CoV和2019-nCoV处在相同的亚组，但它们的基因组只有77％相同。了解2019-nCoV的共有和独特表位将有助于为患者设计更好的疫苗或诊断性临床试验（Diagnostic tests）。

中和抗体可以完全阻止病毒进入人体细胞。2019-nCoV有着已知的受体ACE2（Angiotensin-Converting Enzyme 2），破坏了其与ACE2的结合，2019-nCoV就无法侵入人体。于是探究2019-CoV与ACE2结合的位点处是否存在可能的抗体结合位点（B细胞抗原表位）就有了重大的现实意义。除中和抗体外，人体还依赖于细胞毒性CD8 T细胞和辅助CD4 T细胞来完全清除病毒。人类MHC-I（Major Histocompatibility Complex）与MHC-II复合体对于病毒肽段的呈递在抗病毒T细胞反应中起着至关重要的作用。与B细胞抗原表位不同，T细胞抗原表位可以位于病毒蛋白中的任何位置，因此对于T细胞抗原表位的研究，要贯穿全部病毒蛋白。

2019-nCoV有4种主要结构蛋白，即S（Spike）、M（Membrane）、E（Envelope）和 N（Nucleocapsid），以及至少6个其他开放阅读框(ORFs)。所有的蛋白质片段均有可能由MHC-I或MHC-II呈递并被T细胞识别。作者应用NetMHCpan4和MARIA两种人工神经网络算法进行预测抗原表达和识别潜在的T细胞表位。模型显示ORF1AB，S，E蛋白存在着大量可以被MHC-I和MHC-II良好呈递的肽段，这就为将来的疫苗开发提供了一个候选池。而在中国人群中常见的MHC等位基因中，HLA-C基因有着更广泛的抗原表位呈递能力，提示我们未来基于抗原表位的疫苗研发应该包括与HLA-C 相关的抗原表位。随后作者利用SARS-CoV的实验数据验证了整个策略的有效性。

预测2019-nCoV spike (S)蛋白上的B细胞表位

人体的免疫选择压力已经被证明可以驱动病毒突变从而逃避免疫监视。作者猜想2019-nCoV也发生了类似的突变。研究人员整理了来自四大洲的68个病毒基因组，与已发表的参考基因组相比，确定了93个点突变，2个无义突变和1个缺失突变。这些突变更多地出现在具有良好MHC-I抗原呈递分数的区域，刺突蛋白受体结合域附近没有突变存在。目前仍需要患者的MHC等位基因信息和T细胞分析来更好地评估这一现象，但是患者通常携带少于3个突变，因此，针对多个表位的疫苗不会因为如此少量的突变而无效。

S蛋白是2019-nCoV表面表达的主要跨膜糖蛋白，负责受体结合和病毒体进入细胞。毫无疑问它是人类中和抗体的最可能靶标。通过与SARS-CoV的S蛋白(PDB: 6ACC)的同源建模，研究者获得了2019-nCoV的s蛋白的可能3D结构。对于2019-nCoV S蛋白，研究者利用Discotope2在S蛋白上的 RBD（Receptor binding domain）上发现了类似于SARS-CoV的S蛋白的抗体结合位点。通过计算的方法，研究者预测了2019-nCoV的S蛋白与人类ACE2受体之间一个潜在的相互作用构像。主要的抗体结合位点与ACE2与S蛋白结合的相互作用表面基本重叠，所以与该表面结合的抗体可能会阻止病毒进入细胞。此外，Discotope2鉴定出541-555 AA为另一个结合位点，这点得到了最近两项独立研究的支持。

理想的抗原应由一般人群中的多个MHC-I和MHC-II等位基因呈递，并包含与中和抗体相关的线性B细胞表位。为了找出最佳的抗原，研究者首先确定了MHC-II的高覆盖率区域，然后根据它们的MHC-I覆盖率对它们进行排序。对于得分高的抗原序列，进一步在IEDB数据库上搜索它们具有90%序列相似性的候选抗原，以评估是否有任何候选抗原曾经被作为B细胞或T细胞的表位。据此，研究者发现了S蛋白494-508是非常好的候选抗原。它不仅能被MHC很好呈递，而且是S蛋白受体结合结构域附近的预测B细胞表位。

这项研究对于2019-nCoV相关疫苗的开发影响深远，甚至要超过这件事本身---针对任何病原体疫苗的开发都可以遵循这样的思路。并且，结合临床数据，这一工作也能揭示抗原呈递分数与疫苗功效之间的联系。

原文链接：

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.19.955484v1