Cell: 王培毅/高福/齐建勋揭示新冠流行变异毒株Omicron和Delta入侵机制 | Cell Press对话科学家

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2022年1月5日，南方科技大学生物系、冷冻电镜中心联合中国科学院微生物研究所等单位，在国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）期刊在线发表了“Receptor binding and complex structures of human ACE2 to spike RBD from Omicron and Delta SARS-CoV-2”的研究论文，研究团队首次解析了新冠病毒两个关键突变株Omicron和Delta RBD区（关键受体结合区）与人ACE2（hACE2）的复合物结构，阐明了其相互作用的分子机制。

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在新冠病毒肺炎疫情暴发两年之际，人们看到的，并不是期盼已久的大流行的结束，而是新冠病毒突变株不断产生，世界范围内的感染率和死亡率继续攀升。这些新冠病毒突变株使得疫苗效力减弱、康复者面临再次感染风险，进而使疫情形势愈发严重、复杂，严重影响到人们日常的社会活动。新冠病毒突变株Omicron和Delta目前是世界卫生组织定义的五种“关切变异株（VOC）”中最重要的两种。Omicron已在128个国家和地区出现，因此引起了全球广泛关注，其突变株刺突S蛋白上最关键的受体结合域RBD携带高达15个氨基酸突变，涵盖了Alpha、Beta、Gamma突变株具备的所有特征。Delta变异株是迄今发现的最具传播性的新冠变异株。深入理解Omicron和Delta突变株的识别受体和入侵细胞的机制是疫苗和药物研发的关键基础。

研究团队首先通过流式细胞分析、表面等离子共振和假病毒入侵实验等定性、定量的研究方法，评估了五种VOC与hACE2的结合能力和假病毒感染能力。研究团队发现，与新冠病毒原型毒株（GISAD: EPI_ISL_402119）相比，Omicron和Delta突变株的RBD与hACE2的结合能力没有明显变化。为进一步探明Omicron RBD和Delta RBD与hACE2相互作用的分子机制，研究团队解析了Omicron RBD/hACE2复合物的冷冻电镜结构（3.4 Å）和X-射线晶体结构（3.0 Å），同时还获得了Delta RBD/hACE2复合物的X-射线晶体结构（3.35 Å）（见图）。结构分析表明，Omicron RBD上的Q493R和Q498R的突变使其周围的相互作用网络发生了重排，K417N、G446S、E484A、G496S和Y505H突变均削弱了Omicron RBD与hACE2的结合能力，N501Y的突变使其与hACE2上的Y41位形成π-π相互作用而增强其与hACE2的亲和力。Delta RBD上的两个突变位点，L452R和T478K，从结构上看，两个位点不影响其与hACE2的结合，但是可能会影响抗体的结合，对部分现有抗体产生免疫逃逸。

本研究揭示了目前最受关注的两个新冠突变株Omicron和Delta的RBD与hACE2相互作用的分子机制，为疫苗研发和药物筛选奠定了分子基础。

Omicron RBD和Delta RBD与hACE2复合物结构

南方科技大学生物系、冷冻电镜中心王培毅教授，中国科学院微生物研究所高福院士和齐建勋研究员为论文共同通讯作者。中国科学院微生物研究所韩鹏程博士、中国科学院微生物研究所博士生李霖杰、南方科技大学博士后刘升、上海同步辐射光源汪启胜研究员和中国科学院大学与澳门大学联合培养博士生张弟为论文共同第一作者。该研究得到了科技部国家重点研发计划、深圳市科技创新委员会基金，南方科技大学校长卓越博士后等项目的资助。 

该研究主要数据收集和处理工作均在南方科技大学冷冻电镜中心完成，并得到生物系和冷冻电镜中心多位老师的帮助。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请通讯作者之一王培毅教授代表研究团队接受了专访，请他围绕该研究进行进一步详细解读。

CellPress：

Omicion作为SARS-CoV-2的新型突变体，在刺突蛋白的受体结合域(RBD)发生了大量的突变，引起了科学界和公众的高度关注。请问RBD的突变会对病毒的传播及疫苗的作用产生怎样的影响？

王培毅教授：

Omicron是继Alpha、Beta、Gamma、Delta之后，出现的一个新的新冠突变种，为什么Omicron出现之后，引起了全球关注呢？是因为Omicron突变株的RBD区共有15个氨基酸突变，根据新冠病毒原毒株RBD和hACE2的结构比较发现，在原毒株RBD与hACE2的结合面上，有8个氨基酸发生了突变。Omicron是目前发现的RBD上突变位点最多的一种新冠突变株，涵盖了Alpha、Beta、Gamma具备的所有突变，疫苗还管不管用，抗体会逃逸么，病毒传播能力是不是增强了等一系列科学问题的产生成为Omicron引起全球关注的重要原因。近期的几项重要研究都发现Omicron对很多现有抗体产生了免疫逃逸，疫苗的保护力也下降了很多，这些都是由于RBD上发生大量氨基酸的突变造成的。

CellPress：

请问Omicron的RBD与人类受体ACE2(hACE2)的结合特性是怎样的？

王培毅教授：

Omicron与其受体结合到底发生了多大变化，成为一个重要的科学问题，我们首先用流式细胞分析，表面等离子共振和假病毒入侵实验等定性、定量的研究方法对Omicron RBD与hACE2的结合进行评估，发现其与hACE2结合的能力与原型株比较类似，没有显著增强。结合面上发生了这么多突变，Omicron RBD还能很好地结合hACE2，分子机制是什么？为了探究这一问题，我们和中国科学院高福院士团队联合，利用我们南方科技大学的冷冻电镜平台的优势，用冷冻电镜和X衍射两种技术手段同时进行课题攻关，最终我们第一时间拿到了3.4 Å的Omicron RBD-hACE2冷冻电镜结构和3.0 Å的Omicron RBD-hACE2晶体结构。Delta变异株是迄今发现的最具传播性的新冠变异株。因此我们也解析了3.35 Å的Delta RBD-hACE2晶体结构。

CellPress：

本研究对Omicron RBD-hACE2及Delta RBD-hACE2的复合物结构进行了解析，请问两者的结构分别具有怎样的特点？

王培毅教授：

从结构上看，Omicron RBD与人ACE2的结构整体构象与原毒株RBD和hACE2的结构类似，但是相互作用网络发生了重排。值得一提的是，与原毒株RBD相比，Omicron RBD的结合面上的带电性发生了明显的改变，这说明其抗原性质发生了改变。Delta RBD上面有两个氨基酸发生了突变，从结构上看，两个位点不影响其与hACE2的结合，但是可能会影响抗体的结合，对部分现有抗体产生逃逸。

CellPress：

请问在受体识别中的哪些残基发挥了关键性作用？

王培毅教授：

与原毒株RBD和hACE2的复合物相比，E484A的突变，使484位不再参与与hACE2的结合，S477N使原本不结合的477位氨基酸参与了与hACE2的结合。Q493R和Q498R的突变使其周围的相互作用网络发生了重排，K417N、G446S、E484A、G496S和 Y505H突变均削弱了Omicron RBD与hACE2的结合能力，N501Y的突变使其与hACE2上的Y41位形成 π-π相互作用而增强其与hACE2的结合。

CellPress：

请问本研究的成果能够为Omicion受体识别分子机制的揭示及其预防/治疗药物的开发提供怎样的指导？

王培毅教授：

首先，结构的解析为理解抗体和疫苗的免疫逃逸提供了理论基础。其次，可以为抗体的改造提供结构信息。此外，结构的解析为小分子药物的研发提供了模型。最后，结构的解析有助于新一代疫苗的设计和改造。

CellPress：

请问您下一步的工作重点是什么？

王培毅教授：

需要我们解决的科学问题还很多，比如：从病毒的防控角度思考，我们知道新冠病毒有广泛的结合谱，在美国，已经发现大面积的野生鹿的感染，从公共卫生的角度思考，我们可以约束人的行为，可以采取戴口罩、隔离等一系列的措施来防控病毒，但我们约束不了动物的行为，如果发生大面积动物感染，特别是野生动物的感染，会对疾病防控提出非常大的挑战。那么Omicron突变株的感染谱与原毒株相比是否发生了改变，是一个值得我们去研究的问题。此外，我们知道，Delta和Omicron正在引起新一轮全球疫情，因此，新一代疫苗和药物的研发也迫在眉睫。

作者介绍

王培毅

教授

王培毅，南方科技大学生物系、冷冻电镜中心教授，博士生导师。长期从事电子显微镜的应用和管理，研究领域横跨结构生物学和材料科学。主要研究方向是蛋白大分子复合物，病原微生物的三维结构解析，病毒和宿主相互作用过程等结构生物学问题，金属、复合材料的固态相变，电子陶瓷薄膜组织与性能等材料科学问题，以及冷冻电镜方法学的研究。在Nature，Science，Cell，PANS，EMBO，JACS等国际著名杂志发表多篇论文，是英国皇家显微镜学会、英国生物化学学会、中国物理学会、中国电子显微镜学会、中国生物物理学会等学术团体的会士，常务理事和成员。

高福

院士

高福，中国科学院院士，美国国家科学院外籍院士，发展中国家科学院院士。中国疾病预防控制中心主任，国家自然科学基金委员会副主任，中国科学院病原微生物与免疫学重点实验室主任、研究员、博士生导师。长期从事病原微生物跨宿主传播、感染机制与宿主细胞免疫研究以及公共卫生政策与全球健康策略研究，做出了一系列重大突破性成果，作为通讯作者在Nature、Science、Cell、Lancet、NEJM等国际顶级刊物上发表多篇论文。先后获得发展中国家科学院（TWAS）基础医学奖、第19届日本日经亚洲奖、俄罗斯“Gamaleya奖章”、“求是杰出科技成就集体奖”等荣誉。

齐建勋 

研究员

齐建勋，中国科学院微生物研究所研究员，博士生导师，中国科学院大学客座教授。一直致力于研究病原微生物致病分子机理，并进一步开展抑制剂的设计。在流感病毒（H1N1，H7N9）、埃博拉病毒（EBOV）、中东呼吸综合症冠状病毒（MERS-CoV）及新型冠状病毒（SARV-CoV-2）入侵机制等研究方面取得了系列研究成果，筛选得到了流感病毒和新冠病毒的抑制剂，在《中国科学》、Cell和PNAS等国内外学术期刊发表论文多篇，研究论文累计被引用10900余次，H-index 47。主持了科技部“国家重点研发计划”和自然科学基金委的“重大研究计划”等多项科研项目。2010年获得北京市科学技术奖一等奖，2017年获得中华预防医学会科学技术奖一等奖。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Receptor binding and complex structures of human ACE2 to spike RBD from Omicron and Delta SARS-CoV-2

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00001-0

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.01.001

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