8篇Cell/Nature/Science | 高福，何大一，袁国勇等团队揭示奥密克戎的抗体逃逸及迅速传播的潜在机理

2019冠状病毒病大流行继续影响着全球民众。从2020年底开始迅速开发和部署有效疫苗以及单克隆抗体疗法，有助于大大减少其影响。然而，病原体SARS-CoV-2已经不断进化，对抗体介导的中和产生耐药性。
Nirmatrelvir是一种针对SARS-CoV-2的3CL蛋白酶的口服抗病毒药物，已被证明对COVID -19具有临床疗效。然而，随着SARS-CoV-2已经进化到对其他治疗方式产生耐药性，有人担心nirmatrelvir也可能发生同样的情况。2022年11月9日，哥伦比亚大学何大一与Alejandro Chavez合作在Nature 杂志在线发表题为“Multiple pathways for SARS-CoV-2 resistance to nirmatrelvir”的研究论文，该研究表明，在体外，SARS-CoV-2对nirmatrelvir的耐药很容易通过多种途径产生，研究中观察到的特定突变为详细研究耐药机制和下一代蛋白酶抑制剂的设计提供了强大的基础。另外，2022年7月5日，哥伦比亚大学何大一等团队在Nature 在线发表题为“Antibody evasion by SARS-CoV-2 Omicron subvariants BA.2.12.1, BA.4, & BA.5”的研究论文，该研究报告对这些激增的 Omicron 亚变体进行系统性抗原分析的结果。与 BA.2 相比，BA.2.12.1 对来自接种疫苗和加强免疫个体的血清的抗性仅稍高（1.8 倍）。然而，BA.4/5 的抗性大大提高（4.2 倍），因此更有可能导致疫苗突破性感染。SARS-CoV-2 的 Omicron 谱系继续进化，相继产生了不仅更易传播而且更能逃逸抗体的亚变体（点击阅读）。2022年6月15日，中国科学院微生物研究所高福，赵欣，孙业平及北京生命科学研究所黄牛共同通讯在Cell 在线发表题为“Structural basis of human ACE2 higher binding affinity to currently circulating Omicron SARS-CoV-2 sub-variants BA.2 and BA.1.1”的研究论文，该研究揭示了 BA.1.1、BA.2 和 BA.3 RBD 之间不同的 hACE2 结合模式的结构基础（点击阅读）。2022年3月3日，哥伦比亚大学何大一团队在Nature 在线发表题为“Antibody evasion properties of SARS-CoV-2 Omicron sublineages”的研究论文，该研究表明，除了最近授权的 LY-CoV1404（bebtelovimab）外，没有任何授权的单克隆抗体疗法可以充分覆盖 Omicron 变体的所有亚谱系（点击阅读）。2022年2月28日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心丛尧，Wang Yanxing及中国科学院上海巴斯德研究所黄忠共同通讯在Nature 在线发表题为“Molecular basis of receptor binding and antibody neutralization of Omicron”的研究论文，该研究结果为 Omicron 的受体参与和抗体中和/逃避提供了新的启示，也可能为广泛有效的 SARS-CoV-2 疫苗的设计提供信息。2022年2月8日，Science 在线发表了中国科学院上海药物研究所徐华强/尹万超团队与济民可信邓俗俊团队合作的题为“Structures of the Omicron Spike trimer with ACE2 and an anti-Omicron antibody”的最新成果，该研究解析了毒奥密克戎（Omicron）变异株刺突蛋白，以及分别结合其受体ACE2和广谱抗新冠抗体JMB2002的高分辨冷冻电镜结构，阐述了奥密克戎变异株传播迅速和免疫逃逸的分子机制，并揭示了治疗抗体JMB2002全新的作用机制，为广谱抗新冠抗体的设计和研发提供了新思路（点击阅读）。2022年1月21日，香港大学朱轩/陈福和/袁国勇研究团队联合海南医学院热带转化医学教育部重点实验室研究团队共同通讯在Nature 在线发表题为“Attenuated replication and pathogenicity of SARS-CoV-2 B.1.1.529 Omicron”的研究论文，该研究显示 Omicron 变体的复制在 Calu3 和 Caco2 细胞中显著减弱。进一步的机制研究表明，与 WT 和以前的变体相比，Omicron 变体在跨膜丝氨酸蛋白酶 2 (TMPRSS2) 的使用方面效率低下，这可以解释其在 Calu3 和 Caco2 细胞中的复制减少。与 WT 和 Delta 变体相比，感染的 K18-hACE2 小鼠的上呼吸道和下呼吸道中的 Omicron 复制显著减弱，这导致其肺部病理学得到显著改善。与 SARS-CoV-2 WT、Alpha、Beta 和 Delta 变体相比，Omicron 变体感染导致的体重减轻和死亡率最小。总体而言，该研究表明与 WT 和以前的变体相比，Omicron 变体在小鼠中的病毒复制和致病性减弱（点击阅读）。2022年1月5日，南方科技大学王培毅，中国科学院微生物研究所高福及齐建勋共同通讯在Cell 在线发表题为“Receptor binding and complex structures of human ACE2 to spike RBD from Omicron and Delta SARS-CoV-2”的研究论文，该研究探索了人类受体 ACE2 (hACE2) 与 VOC RBD 之间的结合特性，并解析了 Omicron RBD-hACE2 复合物及Delta RBD-hACE2 复合物的晶体和冷冻电镜结构。 该研究发现，与 Alpha、Beta 和 Gamma 不同，与原型 RBD 相比，Omicron RBD 与 hACE2 的结合亲和力相似，这可能是由于免疫逃逸和传播性的多重突变的补偿。Omicron-hACE2 和 Delta-hACE2 的复杂结构揭示了 RBD 特异性突变如何与 hACE2 结合的结构基础（点击阅读）。

病原体SARS-CoV-2最近的几个Omicron亚变异表现出如此强的抗体耐药性，以至于疫苗对感染的保护作用减弱，目前的大多数单克隆疗法失去了效力，表现为在恢复期和/或接种疫苗的个体中出现越来越多的突破性感染。

幸运的是，治疗选择仍然存在。在美国，三种抗病毒药物已获得用于COVID-19治疗的紧急使用授权: 瑞德西韦(remdesivir), 莫诺匹韦 (molnupiravir)和 nirmatrelvir (也称为PF-07321332，与利托那韦联合使用，并以PAXLOVID™上市)。前两个靶向RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase, RdRp)，后一个靶向3CL蛋白酶(3CLpro;又称主蛋白酶(main protease, Mpro)和非结构蛋白5 (nonstructural protein 5, nsp5)。这两种酶在病毒生命周期中都是必不可少的，在冠状病毒中相对保守。

瑞德西韦是静脉注射的，据报道相对风险降低87%，而莫诺匹韦和nirmatrelvir是口服的，在降低住院和死亡率方面的临床疗效分别为31%和89%。随着这些抗病毒药物使用的增加，人们担心可能会出现耐药性，特别是如果作为单一疗法使用。对于瑞德西韦，体外和体内研究揭示了与耐药性相关的突变，目前正在积极研究对莫诺匹韦或nirmatrelvir的耐药性。

这项研究报告了SARS-CoV-2可以通过多种途径在体外获得对nirmatrelvir的耐药性。研究人员使用两种独立的方法(其中一种是大规模的方法)对SARS-CoV-2在nirmatrelvir中的体外传代进行了研究。事实上，两者都产生了高抗性病毒，它们的序列显示了大量的3CL蛋白酶突变。

进一步在多次重复的实验中，研究人员选取了53个独立的病毒谱系，并在23个不同的酶残基上观察到突变。然而，几种常见的耐nirmatrelvir突变途径是首选的，其中大多数来自T21I、P252L或T304I的病毒是前体突变。

通过对13个重组SARS-CoV-2克隆的构建和分析表明，这些突变只介导低水平的耐药性，而更高的耐药性需要额外突变的积累。此外，E166V突变提供了最强的抗性(约100倍)，但该突变导致病毒复制适应度的丧失，通过L50F和T21I等代偿性变化恢复。

等基因重组SARS-CoV-2中已鉴定的突变的验证（图源自Nature ）

总的来说，这项研究结果表明，在体外SARS-CoV-2对nirmatrelvir的耐药很容易通过多种途径产生，该研究鉴定到的特定突变将为未来研究SARS-CoV-2的耐药机制与设计新一代蛋白酶抑制剂方面提供了强大的理论基础。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05514-2

来源：iNature

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