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询价从多物种分析到点突变确认 — Biacore揭示Omicron宿主扩展机制
自新冠疫情爆发，各类新冠突变毒株层出不穷。被冠以“毒王”称号的Omicron，曾创下一周时间传播6大洲，并在全球范围引发新一轮感染浪潮。预防“毒王”首先就需要对其起源进行追溯，目前针对Omicron BA.1共有三种起源假说：
- Omicron或其前变体在人类中已存在很长时间，只是未被发现。
- Omicron由免疫功能低下的人群体内进化而来。
- Omicron源于动物体内的适应性，即先由人传播给动物，在动物体内突变重组后，再次反向传播给人。
从已有统计来看，几十种动物都易感新冠病毒，是否还有其他动物也是潜在易感宿主？这些易感宿主动物是否会反向传播人类？在这些易感宿主动物体内是否会发生病毒突变重组，产生新的突变毒株？面对以上种种问题，新冠病毒及其突变体跨物种传播机制的研究，是当前预防新冠疫情的重要课题。
近日，中科院微生物所高福院士团队在 Cell Discovery 刊发题为《Broader-species receptor binding and structural bases of Omicron SARS-CoV-2 to both mouse and palm-civet ACE2s》的文章，文章两大核心问题尤为引人注目。
核心问题之一：Omicron受体结合图谱是否发生扩展？
对此，研究人员首先使用流式细胞术对9目27种动物（含人类）的ACE2与Omicron BA.1、Delta 突变体、原始毒株的RBD结合能力进行检测。流式细胞术显示，Delta 突变体与原始毒株受体结合图谱一致，但是Omicron BA.1的受体结合图谱发生扩展（小鼠、棕榈果子狸等均可结合），但与小马岛猬等无结合（图1）。
图1 各类ACE2与Omicron BA.1、 Delta 突变体、原始毒株RBD结合的流式细胞术结果
为了进一步确认及更深入了解各类ACE2与原始毒株及其突变体RBD的结合情况，研究人员使用Biacore 8K进行精确表征实验。Biacore数据显示，Delta 突变体与原始毒株受体结合图谱一致，Omicron BA.1的受体结合图谱发生扩展（小鼠、大鼠、棕榈果子狸等均有结合），小马岛猬等在流式细胞术无结合的RBD，在Biacore可以检测到结合，只是亲和力相对较弱（图2，表1）。
图2 各类ACE2与Omicron BA.1、 Delta 突变体、原始毒株RBD结合的亲和力数据
表1 各类ACE2与Omicron BA.1、 Delta 突变体、原始毒株RBD结合的亲和力数据
核心问题之二：Omicron BA.1受体结合图谱发生扩展的机制是什么？
对此，研究人员在原始毒株RBD基础上构建了9个单位点替换K417N、G446S，S477N、E484A、Q493R、G496S、Q498R、N501Y和Y505H，此9个突变位点均在hACE2识别界面上。使用Biacore 8K分别检测原始毒株RBD、9个突变体RBD、奥密克戎BA.1 RBD与人、小鼠、棕榈果子狸、最小马蹄蝠ACE2的亲和力（图3）。
图3 各类型RBD与人、小鼠、棕榈果子狸、最小马蹄蝠ACE2结合的亲和力数据
Biacore数据显示：
- N501Y是唯一与hACE2结合亲和力增加的突变位点, K417N、G446S、E484A、Q493R、G496S、Q498R、Y505H突变体与hACE2结合亲和力明显降低。
- S477N突变体表现出与Omicron BA.1RBD相似的结合亲和力。
- Q493R、G496S、Q498R、N501Y单位点替换都可以独立赋予与mACE2结合的能力。
- 协同效应引人关注：Q493R、G496S、Q498R、N501Y单位点替换只能与mACE2有较弱结合（1.3 μM–44.8 μM），但四者协同时，亲和力高达16 nM。
- E484A、Q493R、N501Y可以促进与cvACE2结合。
- Q493R和N501Y可以独立地使原始毒株RBD与最小马蹄蝠ACE2结合，并且出现协同效应。
研究最后，研究人员使用Cryo-EM解析各类型RBD与不同物种ACE2的晶体结构，对各关键氨基氨酸位点的功能给予详细解读。
图4 文章整体研究思路
总览全文，Biacore三大技术优势为完美回答两个核心问题做出了突出贡献。
- 第一，Biacore的高灵敏度：在流式细胞术无法检测结合信号的情况下，Biacore能够精准检测弱结合信号，并给出准确的亲和力数值，避免了假阴性的结果。
- 第二，Biacore的高分辨率：不同物种的ACE2结构相对保守，RBD突变体又仅仅相差一个氨基酸，Biacore能够精准的区分出不同互作组合的差异，完美解释了Omicron BA.1受体结合图谱发生扩展的机理。
- 第三，Biacore的高通量：无论是前期27个物种ACE2与各类型RBD的检测，还是在各类突变体与四大物种ACE2的检测，检测总量非常巨大。Biacore 8K依靠8根进样针同时进样，16通道同时检测，保证在最短时间内完成检测任务。
三年时间已过，疫情仍在肆虐，Biacore却始终冲锋在最前线。无论是新冠病毒的机制研究还是新冠药物的研发与生产，Biacore凭借其高灵敏度、高分辨率、高可靠性、高通量性能成为各界人士分子互作检测的首选。相信随着对于新冠病毒认识的加深，攻克新冠疫情指日可待。
参考文献：