奥密克戎——突变趋势可预测| MedChemExpress

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Omicron 持续突变引发免疫逃逸和更高传染性

奥密克戎 (Omicron) 作为新型冠状病毒 (SARS-CoV-2) 的主要变异株，能大大降低不同表位中和抗体的中和效力。研究表明，Omicron 在超过 85% (总测试中和抗体 247 种) 的中和抗体中展现出免疫逃逸特性[2]。
Omicron 的持续进化使更具免疫逃逸能力的变异株陆续涌现。该研究构建了 Omicron BA.2、BA.2.75 和 BA.4/5 亚系及其各种亚变体的假型病毒，并测定了针对这些突变株的治疗性中和抗体的中和活性。如图 1a 所示，以 XBB、BA.2.75.2 以及 BQ.1.1 为代表的 Omicron 亚变体降低了中和抗体的中和效力，实现免疫逃逸。

图 1. Omicron 亚型显示更强的中和抗体免疫逃逸能力和更高传染性

a. Omicron 亚型对中和抗体的免疫逃逸能力 (中和抗体对各种突变型假病毒的 IC50 值，值越大，毒株免疫逃逸能力越强)；b.Omicron 亚型的相对 hACE2 结合能力 (IC50 值越小，说明结合能力越强)

SARS-CoV-2 由包膜蛋白 (Envelope)、核衣壳蛋白 (Nucleocapsid)、刺突蛋白 (Spike)、膜蛋白 (Membrane) 4 种结构蛋白组成，病毒通过其表面的刺突蛋白与受体 ACE2 (血管紧张素转换酶 II) 结合进入细胞 (图 2)。因此，足够的 ACE2 结合亲和力对 SARS-CoV-2 的传播至关重要。通过评估 hACE2 对假病毒的抑制效率可测定 Omicron 亚型的相对 hACE2 结合能力 (hACE2 对假病毒的抑制效率越高，说明 ACE2 的结合能力越强)。结果如图 1b 所示，以最具免疫逃逸特性为代表的 XBB、BQ.1.1 和 CH.1.1 都表现出足够的 ACE2 结合效率 (至少高于 D614G 的结合效率)。

图 2. SARS-CoV-2 结构[3]

Omicron 变体几乎可以逃脱所有临床批准的抗体药物，显著损害自然感染和疫苗接种引起的体液免疫力 (这也正是为什么，虽然接种过新冠疫苗，但在防疫政策放开后，依然会 “阳” )，并在家庭接触者中拥有比 Delta 变体更高的传播率，致使大流行病再次复发的风险提高[4]。

Omicron 的突变具有趋同性

Omicron 持续进化所带来的中和抗体失效是我们目前所面临的一大挑战。但值得注意的是，尽管 Omicron 亚型在进化过程中彼此独立，但它们在受体结合域 (RBD) 上的突变却汇聚在相同的位点上 (即 RBD 上的突变具有趋同性)，包括 R346、K356、K444、V445、G446、N450、L452、N460、F486、F490、R493 和 S494 (图 3)。这说明，病毒的进化是随机的，但也遵循一定的规律。

图 3. Omicron 亚型趋同突变的系统发育树[1]

“免疫印迹”效应诱导趋同进化

为研究 RBD 趋同进化的原因，研究者表征了 Omicron BA.2 和 BA.5 突破性感染 (新冠疫苗接种者以及 Omicron 感染康复者体内都能建立免疫保护屏障；突破性感染指机体在建立自身免疫保护屏障后依旧被病毒感染) 所诱导的抗体再分配。结果表明，疫苗接种后感染 BA.2 和 BA.5 主要召回由基于野生型疫苗激发的交叉反应记忆 B 细胞，但很少产生 BA.2/BA.5 特异性 B 细胞。这说明 Omicron 趋同进化过程中存在“免疫印迹”效应 (或称抗原原罪)。

抗原原罪：首次感染病毒株时，免疫系统产生针对其主要抗原的有效抗体，从而消除感染。但当后续感染同类型病毒株时，免疫系统仍产生针对首次感染病毒株的抗体，而非针对同类型新毒株抗原产生新的抗体。这导致产生无效的抗体，从而产生弱免疫力。 该研究从新冠疫苗接种者、疫苗接种后的新冠康复者以及 BA.1 感染康复者体内分离出抗体，并根据表位分布对抗体进行分组 (图 4a)。其中，A、B、C、D1、D2、F2 和 F3 组中的抗体与 ACE2 竞争并表现出中和活性，而 E1、E2.1、E2.2、E3 和 F1 组中的抗体不与 ACE2 竞争。研究发现 BA.1、BA.2 和 BA.5 突破性感染主要激发 E2.2、E3 和 F1 组的抗体，它们不与 ACE2 竞争，表现出弱的中和活性。然而野生型康复者激发的抗体富含 A、B 和 C 组的抗体 (图 4b)，它们与 ACE2 竞争，表现出强的中和效力。并且，中和抗体表位的比例和多样性在 Omicron 突破性感染中减少 (这意味着针对多种抗原表位的新抗体的比例和多样性减少)，特别是在 BA.5 突破性感染中 (图 4b)。

图 4. Omicron 亚型变异株突破性感染所产生抗体的表位表征[1]

a) 抗体表位分组；b) 野生型康复者和接种疫苗后 BA.1/BA.2/BA.5 感染康复者的抗体表位分布

总之，由于免疫印记效应，BA.5 突破性感染导致抗体表位多样性的明显减少以及非中和性抗体比例的增加，这反过来又集中了免疫压力，促进了 RBD 的趋同进化。

RBD 进化热点可预测

Omicron 具有的趋同进化特性或许可以帮助我们预测 RBD 进化热点。该研究基于大量不同变异株感染者抗体逃逸图谱表征的数据所建立的计算模型，可准确推断 RBD 的突变热点。 实验使用从新冠病毒原型株感染康复者和疫苗接种者体内产生的抗体，确定了突变热点，包括 K417N/T、K444-G446、N450、L452R，特别是 E484K (图 5a)。这些残基大部分在以前的变异株中发生了突变，如 Beta 的 K417N/E484K、Gamma 的 K417T/E484K、Delta 的 L452R 和 Omicron BA.1 的 G446S/E484A，证实了该研究对 RBD 进化热点的预测。 同时，通过 SARS-CoV-2 原型株、BA.1 和 BA.2 诱导的抗体所确定的突变热点 444-446、452、460 和 486，在 BA.2.75 和 BA.5 变异株中发生了突变 (图 5b)。简言之，该研究预测出来的突变，确实出现在其它具有流行潜力的毒株上。

图 5. 预测的 SARS-CoV-2 变异株逃逸热点[1]

a) SARS-CoV-2 原型株感染康复者或疫苗接种者抗体的归一化加权平均逃逸分数; b) SARS-CoV-2 原型株或 BA.1/BA.2 突破性感染康复者抗体的归一化加权平均逃逸分数

小结

由于 Omicron 的免疫逃逸特性， “阳康” 后的我们仍有突破性感染的可能，好在突变毒株的致病性大都弱化。该研究首次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。预先了解这些新突变株的病毒特性能够为科学精准防控留出宝贵的时间窗口，并为后续更高效地设计抗体药物和广谱疫苗提供科学理论与技术支撑。
  参考文献
1. Cao Y, et al. Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent Omicron RBD evolution. Nature. 2022 Dec 19.
2. Cao Y, et al. Omicron escapes the majority of existing SARS-CoV-2 neutralizing antibodies. Nature. 2022 Feb;602(7898):657-663.3. Min L, Sun Q. Antibodies and Vaccines Target RBD of SARS-CoV-2. Front Mol Biosci. 2021 Apr 22;8:671633.4. Cui Z, et al. Structural and functional characterizations of infectivity and immune evasion of SARS-CoV-2 Omicron. Cell. 2022 Mar 3;185(5):860-871.e13.