预测新冠病毒变异趋势，北大曹云龙入选Nature 年度十大人物

今天，《自然》杂志（Nature）公布了2022年度科学影响“十大人物”（Nature’s 10），北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）副研究员、北京昌平实验室领衔科学家曹云龙入选。这一榜单旨在选出十位在这一年重大科学进展中占有一席之地的人物。

Nature这样介绍：

“曹云龙：新冠预测者（COVID-predictor)，帮助追踪新冠病毒的演化，并预测了导致新变异株产生的重要突变。”‍

新冠疫情暴发以来，曹云龙与团队成员围绕着新冠病毒免疫逃逸及其演化变异的分子特征展开系统性研究，其中有关新冠中和抗体药物研制和奥密克戎株免疫逃逸机制的创新性研究结果为抗击疫情做出了重要贡献，以第一作者或共同通讯作者在Nature、Cell等杂志发表10余篇论文。值得注意的是，自过去的一年里，曹云龙以第一作者兼共同通讯作者在Nature杂志发表了3篇论文（最新一篇将于近期上线）。

2022年，奥密克戎在全球流行，打破了病毒的单一进化规律，多种亚型株不断变异出现并显示出很强的免疫逃逸能力。曹云龙/谢晓亮团队深入地研究了奥密克戎变异株的免疫逃逸特征。

在获得大量研究数据的基础上，该团队揭示了新冠病毒的趋同进化趋势，并表明新冠病毒突变可被预测。这将有助于人类在病毒变异前有望进行前瞻性研判，为后续抗体药物和广谱疫苗的研制提供了科学理论与技术支撑，对未来如何加强病毒感染免疫防治提出了新的思路。

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系统性揭示奥密克戎株免疫逃逸机制

2021年末，新冠病毒变异株奥密克戎出现并快速蔓延，其对于人体体液免疫的逃逸能力和机制亟待解析。曹云龙与团队成员第一时间关注，通过开发的高通量深度突变扫描技术，描绘了新冠中和抗体的逃逸突变谱，发现超过85%的新冠原始株诱导的中和抗体被奥密克戎株BA.1逃逸，并具体解释了奥密克戎株免疫逃逸机制。该研究2021年12月相继发表于Nature ¹和Cell ²，对全球疫情防控具有极高的时效性和重要性。

图1. 基于酵母展示的高通量突变扫描技术描绘抗体逃逸图谱

奥密克戎变异株BA.2、BA.2.12.1、BA.4、BA.5的接连出现及其免疫逃逸效应对疫苗接种的预防效果和抗体药物的治疗效果提出了严峻挑战，新变异株的受体结合能力和免疫逃逸能力亟待详尽研究。2022年4月，南非科学家首次在测序中发现奥密克戎BA.4/BA.5变异株，团队即根据经验敏锐地意识到其潜在的强大免疫逃逸能力和流行潜力，随之迅速投入研究。通过高通量单细胞测序、分离并测定上千个新冠单克隆中和抗体的表位与中和活性，曹云龙带领团队发现奥密克戎BA.2.12.1、BA.4、BA.5进化出的新突变能够特异性逃逸BA.1感染所诱导产生的中和抗体。并且，接种疫苗的奥密克戎BA.1突破感染存在“免疫印迹”现象，即BA.1感染主要唤起之前原始株疫苗所诱导的记忆B细胞，而很难产生特异性针对BA.1的中和抗体。由于存在“免疫印迹”现象且新冠病毒可以快速进化出免疫逃逸突变位点，通过奥密克戎感染实现群体免疫来防止感染是极难实现的。该成果于2022年6月发表于Nature ³，在国际上首次报道了BA.2.12.1和BA.4/5刺突蛋白结构和体液免疫逃逸特性、奥密克戎突变株“免疫印迹”分子机制的系统性研究结果，为新冠疫苗研发方向的调整提供了重要数据参考，受到了Science、Nature、New York Times、ABC News等多家国际知名媒体的竞相报道。

图2. 基于高通量突变扫描技术的RBD中和抗体表位分类与逃逸位点识别

继BA.5之后，新突变株持续出现，其中BA.4.6、BF.7和BA.2.75备受关注。曹云龙与团队成员率先发现BA.4.6、BF.7等在RBD区域携带R346突变的奥密克戎新突变株能够逃逸BA.5感染诱导的体液免疫，与BA.5相比有更高的增长优势，且能导致中和抗体药物Evusheld的失效，该成果发表于国际一流传染病学期刊The Lancet Infectious Diseases ⁴，在国际学界引起广泛关注。随后，曹云龙及其团队注意到了BA.2.75在印度的增长优势，发现其对于刺突蛋白N末端结构域（NTD）靶向的中和抗体以及BA.5突破感染康复者血浆具有极强的逃逸能力，此外，BA.2.75的ACE2亲和力极高，这将赋能其获得更多的免疫逃逸突变，这在新冠病毒的后续进化中得到验证，相关成果发表于国际一流微生物学期刊Cell Host & Microbe ⁵。该系列创新性发现被Nature、Science等多家媒体快速跟进报道。

今年8月以来，上百种突变株在全球范围内同时出现，且诸多突变株比BA.5更有增长优势，其中BQ.1和XBB两个家族流行度最高。曹云龙及其团队发现，近期流行的CH.1.1、BQ.1.1、BQ.1.1.10（BQ.1.18）和XBB显示出更强的抗体逃逸能力。例如，接种疫苗后突破感染BA.5的患者，其康复一个月后的血浆虽然对于BA.5和BF.7的中和滴度较高（即防感染效果较好），但对于BQ.1.1.10（BQ.1.18）、XBB、CH.1.1等亚型的中和滴度很低，防感染作用较低。相关研究将近期在Nature ⁶发表。

图3. 三针灭活疫苗BA.5突破感染者对不同新冠变异株的血清中和滴度

曹云龙与团队成员对于病毒变异株的持续跟踪系统研究快、广、深，将深化科学界不断揭示不同的病毒突变将会如何影响人们的抗体免疫应答反应，更加精准地了解病毒突变与人体免疫系统之间发生反应的规律，从而为未来从根本上防治病毒感染奠定关键的科学基础。

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预测新冠病毒变异趋势

奥密克戎的变异株仍在快速涌现，不同支系纷繁复杂。但曹云龙与团队成员持续追踪观察发现，病毒的突变正在呈趋同趋势。

“病毒进化是随机的，但也遵循一定的规律。”在长期系统研究的基础上，曹云龙及其团队注意到，新的奥密克戎突变株的受体结合域（RBD）所携带的突变表现出趋同效应，即独立演化的毒株演变出了相同的RBD突变。进一步研究发现，突变株感染所诱导的弱中和和非中和抗体比例增加，有效中和抗体占比越来越少且表位多样性越来越低，从而导致病毒面对的免疫压力越来越集中。由于病毒演化的驱动力主要来自机体免疫压力，集中的免疫压力促进了病毒趋同进化。

图4. 新冠病毒RBD趋同进化突变热点

现有证据表明，新冠病毒奥密克戎支系目前的演化是由中和抗体导致的免疫逃逸压力主导的。曹云龙表示，“利用大量不同变异株感染者抗体逃逸图谱，我们可以分析出在不同的免疫背景下，分别是哪些RBD突变有利于病毒逃逸最多的强效中和抗体，并较准确地预测出不同毒株的突变趋势”。

曹云龙与团队成员构建了基于中和抗体免疫压力的新冠病毒RBD进化趋势预测模型，基于今年上半年世界人群的免疫背景，预测了BA.2.75和BA.5未来的进化趋势。该模型预测的突变热点与现实世界中病毒的进化高度一致。团队于7月基于模型构建出的假病毒，与随后10月、11月大量出现的新变异株相似度极高，相关预测很快在病毒实际发生的进化中得到验证。这一结果表明，新冠在群体免疫压力下所产生的突变是可以被预测的。通过预测可能出现的变异株并构建出相应的假病毒，可以提前设计开发疫苗和抗体药物以应对未来可能出现的疫情，是病毒学领域的重要突破。

该研究成果于2022年9月在预印本平台发布，这是全球首篇系统性研究新冠病毒趋同进化现象的论文，在国际上引起强烈反响。曹云龙受邀在世卫组织专题会议上作主题报告，该论文将近期在Nature ⁶发表。

 图5.基于中和抗体免疫压力的新冠病毒RBD进化趋势预测模型

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与病毒竞速的科学长跑：中和抗体药物研发

2019年末，曹云龙在导师谢晓亮院士的指导下于哈佛大学化学系完成学业，获得博士学位，随后回国就职于谢晓亮院士创建并时任主任的北大BIOPIC。新冠疫情暴发后，谢晓亮院士迅速召集合作团队，协调各方资源，开启了迎战新冠病毒的科研战场。在谢晓亮院士的指导下，曹云龙也将科研重点迅速转变到新冠病毒免疫应答特征及其相关抗体药物和疫苗研究中。

利用其在高通量单细胞测序技术领域的特长，曹云龙与团队成员率先证明了利用高通量单细胞V(D)J测序，可以快速地从新冠康复者记忆B细胞中筛选出大量新冠病毒高效中和抗体，开启了抗体药物高通量筛选的新方向。随后该团队在大量候选抗体中筛选出了编号为DXP-593、DXP-604的两个中和活性突出的抗体，并证明两者组合成抗体鸡尾酒疗法更加显效，研究成果相继在Cell杂志发表两篇论文^7-8。其中，DXP-604在2021年德尔塔株流行时期在北京地坛医院作为同情用药紧急使用，治疗效果显著，患者核酸转阴时间大幅缩短，无一人转为重症。

在后续的临床开发过程中，发现DXP-604被奥密克戎新变异株所逃逸。“这促使我们反思，对于新冠这类快速突变的病毒，抗体的广谱性与中和活性同样重要、甚至更加重要”，曹云龙解释道，“抗体的广谱性不仅取决于抗体本身的生化特性，同时也取决于病毒的突变规律和进化方向”。

基于对新冠变异株的序列分析发现，曹云龙等发现新冠病毒变异遵循两点规律：1）突变主要发生在康复者和疫苗接种者体内产生的中和抗体所针对的“热点”表位，从而实现最大程度免疫逃逸；2）不太可能出现破坏病毒关键功能的突变。据此，团队提出了一种理性的新冠病毒广谱中和抗体筛选策略⁹，认为候选的中和抗体药物不仅要有强中和能力、可组成表位不冲突的抗体对，同时，广谱中和抗体药物还应靶向非优势免疫表位，从而可以不受群体免疫逃逸突变的影响；此外，理想的中和抗体药物应靶向乙型冠状病毒B支系RBD上的保守位点，且这些位点最好涉及关键的病毒功能，从而使得抗体逃逸突变不易出现。

图6. 从非典康复者记忆B细胞中高通量筛选新冠广谱新冠中和抗体SA58/SA55

根据这一思路，团队从接种了新冠疫苗的非典康复者中筛选出了一对广谱中和抗体，SA55和SA58。其中，SA55是目前国际上已知唯一处于临床阶段的，对包括BQ.1.1和XBB等株在内的所有当前流行株都有效的抗体。SA55是一个非常“稀缺”的抗体，在目前的人群免疫背景中几乎不存在类似的抗体，这意味着其对应逃逸位点目前几乎不存在免疫压力，因此很难进化出可以逃逸SA55的突变株。

图7. 临床用新冠中和抗体对不同新冠变异株的中和活性

除了用于治疗，该抗体组合还可以用于预防感染。从预防角度来看，抗体比小分子药物更具优势。小分子药物半衰期比较短，而抗体在血液中的半衰期可长达80天，这意味着抗体注射后的保护效力最长可达半年，可能比疫苗诱导的抗体浓度更高、中和活性更强，可实现长效预防作用，尤其适用于老年人或免疫缺陷人群等不适合疫苗接种或免疫反应差的人群。SA58和SA55还可以制成喷雾吸入式预防药物，一次提供的即时保护可维持6-12小时，初步的单盲随机对照试验显示，预防感染效率可达到80%以上，且成本较低，方便使用。目前正在进行更严谨的临床试验，预计将来可以大规模使用。

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未来展望

新冠病毒具有较高的突变速率，变异株可以逃逸由疫苗接种或感染诱导的抗体保护作用，导致人群出现突破感染和二次感染。而且，在人体产生的免疫压力下病毒进化不断加速，已出现诸多逃逸人群免疫的变异株且还在不断被新变异株取代。显然，全球范围内疫苗研发的速度已落后于病毒进化速度，所存在的“免疫印迹”效应可能会导致新研发的变异株疫苗也很难抵御未来变异株的感染。因此，曹云龙表示，“之后，除了正在研发的广谱中和抗体药物，我们还将致力于研制可以克服既往‘免疫印迹’干扰影响的广谱疫苗，从而互补地提供对新冠疫情的全方位防护。” 

面对不断变异的新冠病毒，曹云龙及其团队的科研攻关将不断深入。研究成果的取得有赖于团队高效强大的科研协作精神与创新能力。曹云龙说，“北京昌平实验室和北大BIOPIC的合作为该系列研究提供了团队、平台和实验的支撑。BIOPIC的很多博士生都深度参与。要特别感谢谢晓亮院士的指导和支持”， “和其他合作者的配合也非常融洽、高效，因为大家都有着共同的目标，就是调动一切可以调动的科技资源，去迎战新冠病毒。”

· 人 物 简 介 ·

曹云龙，北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）副研究员，北京昌平实验室领衔科学家。2014年毕业于浙江大学竺可桢学院物理学专业，2019年获得哈佛大学化学博士学位。在新冠疫情期间，围绕新冠病毒B细胞免疫应答、特异性抗体的结构与功能等开展了系统性研究，其中新冠中和抗体药物研制、新冠体液免疫应答特征和新冠突变免疫逃逸机制的创新性研究结果为抗击疫情做出了重要贡献。以第一作者、共同通讯作者在Nature、Cell、Lancet Infectious Diseases、Cell Host & Microbe、Cell Research等期刊上发表多篇相关研究文章。曾获评《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”、国家优秀青年科学基金、2022年度Nature十大人物。

相关文章链接：

1. Cao, Y. et al. Omicron escapes the majority of existing SARS-CoV-2 neutralizing antibodies. Nature 602, 657-663 (2022).

2. Cui, Z. et al. Structural and functional characterizations of infectivity and immune evasion of SARS-CoV-2 Omicron. Cell 185, 860-871.e813 (2022).

3. Cao, Y. et al. BA.2.12.1, BA.4 and BA.5 escape antibodies elicited by Omicron infection. Nature 608, 593-602 (2022).

4. Jian, F. et al. Further humoral immunity evasion of emerging SARS-CoV-2 BA.4 and BA.5 subvariants. The Lancet Infectious Diseases 22, 1535-1537 (2022).

5. Cao, Y. et al. Characterization of the enhanced infectivity and antibody evasion of Omicron BA.2.75. Cell Host Microbe 30, 1527-1539.e1525 (2022).

6. Cao, Y. et al. Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces converging Omicron RBD evolution. Nature (2022, Accepted).

7. Cao, Y. et al. Potent Neutralizing Antibodies against SARS-CoV-2 Identified by High-Throughput Single-Cell Sequencing of Convalescent Patients' B Cells. Cell 182, 73-84.e16 (2020).

8. Du, S. et al. Structurally Resolved SARS-CoV-2 Antibody Shows High Efficacy in Severely Infected Hamsters and Provides a Potent Cocktail Pairing Strategy. Cell 183, 1013-1023.e1013 (2020).

9. Cao, Y. et al. Rational identification of potent and broad sarbecovirus-neutralizing antibody cocktails from SARS convalescents. Cell Reports, 111845 (2022).