Biacore揭示全球主导株Omicron BA.5的结构基础及物种识别能力

9 月 15, 2023

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近期，多个新冠Omicron亚变种相继出现，如BA.2、BA.2.12.1、BA.4和BA.5，其中BA.5已成为全球主导株。此外，BA.2.75在一些国家显著增加。迫切需要探索它们与受体的结合能力和跨物种传播风险。

中科院微生物所高福院士团队在Nature Communications刊发题为《Structural basis for receptor binding and broader interspecies receptor recognition of currently circulating Omicron sub-variants》的文章，本研究对涵盖九地区的人和其他28种动物ACE2同源物的S蛋白与这些亚变种的结合能力进行了研究。这些亚变种与人类ACE2之间的结合亲和力与之前关注的变种的亲和力范围相同。值得注意的是，R493Q回复突变增强了与人类和与人类密切相关的许多动物的ACE2的结合能力，表明了跨物种传播风险的增加。研究者还确定了这些亚变种和BA.2与小鼠、大鼠或金黄仓鼠的ACE2结合的S/hACE2或RBD/hACE2复合物的结构，以揭示其受体结合和更广泛的物种识别的分子基础。

Omicron亚型的结构基础和受体结合能力

SARS-CoV-2 Omicron亚型不同变异体（如BA.2、BA.2.12.1、BA.2.75、BA.4/5）的S蛋白与人类ACE2受体的结合亲和力存在差异，但它们的结合亲和力都在纳摩尔级别。此外，BA.4/5的RBD中的R493Q逆突变可以改变受体结合区域的表面电荷，从而增强其与人类、兔子、马、猪、山羊和绵羊等动物的ACE2受体的结合亲和力，因此BA.4/5可能具有增加种间传播的风险。这些结构基础和受体结合能力的变化可能会影响SARS-CoV-2 Omicron亚型的传播和感染能力，但具体影响需要进一步研究。

作者通过Biacore对hACE2与来自五个Omicron亚变体（BA.2、BA.2.12.1、BA.2.75、BA.4和BA.5）的RBD之间的结合亲和力进行分析（表1）。PT与hACE2的亲合力为23.8±2.6 nM，与先前的报道一致。BA.4/5 RBD与hACE2的结合强度KD约为9.0±1.7 nM，分别比PT (23.8±2.6 nM) 和BA.2 (14.6±2.1 nM) 高2.6倍和1.6倍，而BA.2.75 (7.5±0.2 nM) 与BA.4/5 (9.0±1.7 nM) 对hACE2的结合能力相似。然而BA.2.12.1 (27.4±0.9 nM) 对hACE2的结合亲和力比BA.2 (14.6±2.1 nM) 低约1.9倍。有趣的是，尽管各种SARS-CoV-2变体在其RBD中具有不同的突变，但其RBD与hACE2之间的结合亲和力在1~100纳摩尔之间的狭窄范围内，这与PT和hACE2之间的结合亲和力相当。

图1：SPR传感图，所示的KD值是三个独立实验的平均值±标准偏差 (SD)

表1：SPR测定的条件，评估hACE2与PT、BA.2、BA.2.12.1、BA.2.75及BA4/5.2的RBD之间的结合亲和力

图2：hACE2和RBD、抗体和RBD或TCR和pMHC之间的结合亲和力范围

Omicron亚型的演变和替代过程

Omicron亚型的不同子变种的演变和替代过程如下：最初，Omicron BA.1是主要的流行病毒株，随后被BA.2取代；接着，BA.2.12.1迅速出现并大规模扩散，最近BA.5成为主要的流行病毒株。这些Omicron亚型的不同子变种之间存在一些差异，包括S蛋白中的氨基酸突变。

例如，与SARS-CoV-2 PT相比，BA.2、BA.2.12.1、BA.2.75和BA.4/5的S蛋白中分别有31、33、37和34个氨基酸突变。此外，一些早期的BA.4/5亚型的S蛋白中还存在N658S的替代。这些变种之间的差异可能会对病毒的传播和流行性产生影响。
例如，不同子变种与人类细胞表面的ACE2受体结合的亲和力不同，可能影响病毒的感染能力和传播速度。此外，这些变种的S蛋白与人类细胞受体结合的方式也存在差异，可能导致它们在感染过程中的行为和特性有所不同。

然而，需要进一步的研究来确定这些差异对病毒的传播和流行性的确切影响。为了评估这些取代对受体结合的影响，作者将BA.4/5 RBD中的这三个残基逐一突变为BA.2 RBD中的相应残基，并进行结合实验。

携带R452L突变的BA.4/5 RBD与hACE2的结合亲和力约为14 nM，与野生型BA.4/5 RBD与hACE2的结合亲和力相似 (12.9±1.8 nM) 。
对BA.4/5 RBD的V486F进行诱变分析后，其对hACE2的结合亲和力增加了3.2倍。
结构分析显示，在BA.2 RBD/hACE2复合物中，残基F486与hACE2受体的L79、M82和Y83形成疏水接触，而BA.4/5 RBD的V486侧链比F486小，导致疏水相互作用减少。

结合实验表明，当BA.4/5的Q493突变为R493时，对hACE2的结合亲和力降低了约9.8倍。总之，R493Q突变可以提高对hACE2的结合能力。

图3：RBD突变体与 hACE2受体结合的传感图，显示的KD值是四个独立实验的平均值±标准差

表2：SPR测定的固定和浓度信息，基于BA.4/5-RBD的突变体，测试BA.4/5，BA.2和hACE2受体之间的结合亲和力

BA.2和BA.4/5的受体结合谱

之前的工作表明，Omicron BA.1具有更广泛的物种受体结合力。☞《从多物种分析到点突变确认—Biacore揭示Omicron宿主扩展机制》。

为探讨BA.2和BA.4/5的宿主范围是否发生变化，作者采用流式细胞术测定了它们的受体结合能力，流式细胞术分析表明，BA.2 RBD与BA.1具有相似的受体结合谱。值得注意的是，兔、大鼠、金仓鼠、猫、马、猪、山羊和绵羊的全长ACE2转染细胞对BA.4/5 RBD的结合能力高于BA.1或BA.2。作者考虑到流式细胞术检测是半定量的，不能准确反映其结合亲和力，他们进一步使用Biacore测量这些ACE2同源物（包括小鼠和狗的ACE2）对BA.1、BA.2和BA.4/5 RBD的结合亲和力。相比BA.2 RBD，BA.4/5 RBD对兔、马或猪的ACE2和绵羊/山羊的ACE2的结合亲和力分别提高了10倍和3倍以上。BA.2 RBD和BA.4/5 RBD对大鼠、金仓鼠、猫和狗的ACE2具有相似的结合亲和力。只有小鼠ACE2 (mACE2) 降低了其与BA.4/5 RBD的结合亲和力。

图4：BA.1，BA.2，BA.2-R493Q和BA.4 / 5 RBD与10个物种ACE2同源物结合的SPR曲线

表3：结合亲和力统计表 (KD、nM)

图5：使用热图来表示结合亲和力。每个结合亲和力值对应于指示的颜色

总览全文，小编帮大家总结了Biacore四大技术优势。

第一，Biacore的定量准确：在流式细胞术检测结合信号仅仅是半定量的结果，Biacore能够精准检测，并给出准确的亲和力数值。
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 受体结合图谱发生扩展的机理。
第三，Biacore的良好重复性：本文所有的检测都进行了至少三次重复，每一次的检测结果都几乎一致，Biacore卓越的数据重复性满足了科学研究及质量控制对数据可靠性的要求。
第四，Biacore的高通量：本研究检测总量巨大。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。

随着Omicron亚变体的不断出现，了解其进一步演化和传播趋势对于制定有效的防控策略至关重要。本文的核心创新点是关于Omicron亚型的不同子变种的演变和替代过程，以及这些变种之间的差异对病毒的传播和流行性的影响。研究人员通过分析病毒基因组序列数据，发现了Omicron亚型的不同子变种的出现和替代过程，并对它们的基因组进行了比较和分析，特别关注了S蛋白中的氨基酸突变。这些差异可能会影响病毒的感染能力、传播速度和与人类细胞的相互作用方式。这些发现对于理解Omicron亚型的传播动态和病毒变异的影响具有重要意义，有助于指导公共卫生措施和疫苗研发。

参考文献：

[1] Structural basis for receptor binding and broader interspecies receptor recognition of currently circulating Omicron sub-variants[J].Nature Communications, 2023, 14(1).DOI:10.1038/s41467-023-39942-z.