研究称突变致新冠病毒亲和力增百倍 或致传染性提高

(原标题:研究称突变致新冠病毒亲和力增百倍 或致传染性提高)

  摘要:论文作者张弓向记者强调,病毒亲和力提高100倍并不意味着其传染性提高100倍,要达成真正的感染还有很多步骤,且受其他因素影响。尽管如此,传染性提高应该是大概率事件。

▲资料图

  新冠病毒在繁殖倍增的过程中若发生了基因突变,会否影响其感染能力?3月17日,论文预印平台bioRxiv上发表了一篇与新冠病毒的受体结合结构域(RBD)突变有关的研究,称突变增强了新冠病毒表面刺突蛋白的结构稳定性,突变病毒株与受体结合的亲和力显著增强。论文作者强调,病毒的传染性还受其他因素的影响,尽管如此,传染性提高应该是大概率事件。

  这篇题为《从流行的新冠病毒序列中发现的RBD突变会增强刺突蛋白结构稳定性及传染性》的论文,由南方医科大学公共卫生学院教授张其威、暨南大学生命与健康工程研究院张弓共同担任通讯作者。研究团队从公共数据库(NCBI GenBank和GISAID等)下载了244条新冠病毒毒株的基因序列全长,并筛选出S蛋白及其RBD区域发生突变的序列进行分析。从研究者绘制的毒株序列分布地图来看,现阶段这244个新冠病毒毒株中绝大多数毒株的S蛋白受体结合结构域(RBD)没有发生突变。只有10条序列在RBD区域存在氨基酸突变,它们分别采集自武汉、深圳、香港、英国、法国和印度。

  为什么要聚焦于病毒S蛋白上的RBD突变呢?从病毒结构与感染机制来看,此前已有不少研究表明,新冠病毒与SARS病毒一样,都是通过病毒表面的S蛋白(也叫刺突蛋白)与人体细胞的受体ACE2(血管紧张素转换酶2)结合才能成功入侵细胞。就像一把钥匙对应着一把锁,S蛋白就是新冠病毒打开人体细胞的钥匙。如果进一步观察S蛋白,会发现它有两个功能单位——S1和S2蛋白亚基。S1负责与细胞受体结合,有助病毒附着在宿主细胞的表面;而S2则负责病毒与细胞膜的融合。

  在S1蛋白上有一段区域直接与受体ACE2结合,被称为受体结合结构域(RBD),由300多个氨基酸构成。由于仅靠RBD就可以紧紧附着在细胞受体上,研究者认为,RBD就是病毒与受体结合的关键因素,同时也是病毒宿主范围、趋向性以及感染能力的决定性因素。

  研究者对这10条RBD存在突变的基因序列进行分析发现,其中9条与全球首个公布的新冠病毒原始毒株相比只发生了1个氨基酸的突变(突变体分别是R408I、F342L、V367F、W436R),另外一条采集自深圳的序列(Shenzhen-SZTH-004)则发生了2个氨基酸的替换(N354D和D364Y)。

  那么这些突变是否会引起蛋白质结构与功能的改变呢?研究者又对新冠病毒的RBD突变体进行了分子动力学的模拟计算,以评估RBD突变体与人体细胞受体ACE2的结合能力。结果发现,有3个突变体(分别是双突变N354D和D364Y、V367F、W436R)在数据上的差异引人关注,表明它们与受体结合的亲和力(affinity)有了显著提高。在物理化学中,亲和力的强弱由平衡解离常数(KD,单位是纳摩尔每升mol/L)来表示,有时也简称“亲和力常数”。通常而言,解离平衡常数数值越小,亲和力越大。武汉原始毒株的KD为14.7nM,而上述三个突变体的KD则分别为0.12nM、0.11nM、0.13nM,与原始毒株KD值相差两个数量级,表明突变病毒的亲和力在显著提升。研究者进而发现,亲和力提升的结构基础是,这三个突变体RBD的β-折叠结构获得了稳定,从而增强了S蛋白的结构稳定性。

  有自媒体公号在译介这篇研究时,使用了《南方医大新发现:新冠病毒新突变与受体结合力可能提高上百倍》这样的标题,也使论文受到不少争议。一方面,有人担心结合力若真提高上百倍会对控制疫情构成巨大挑战。另一方面,也有学者指出,不应该使用结合力这样的词语误导读者。复旦大学生命科学学院教授黄强向记者介绍,在抗体—抗原结合作用的实验测定中,他更倾向于将平衡解离常数翻译成“结合亲和性”。否则容易与物理化学中定义的相互作用力大小混淆,造成误读。

  3月20日早晨,该文通讯作者、暨南大学生命与健康工程研究院张弓教授张弓向记者介绍,论文中所使用的词是affinity,自媒体文章翻译称“结合力”是不对的,正确的术语应为“亲和力”。而“亲和力”中的“力”是“能力”的意思,并不是力学概念。

  张弓解释称,KD的单位mol/L是浓度单位,不妨看成浓度。那么KD的直观物理意义是——复合体在KD这个浓度下,有一半的分子处于结合状态。以新冠病毒的实际数据为例:武汉原始病毒株的KD=14.7nM,即当病毒蛋白浓度为14.7nM时,有一半的ACE2能与病毒蛋白相结合。突变了之后,KD=0.11nM,即当病毒蛋白浓度为0.11nM时,有一半的ACE2能与病毒蛋白相结合。这意味着,突变之后,只需要百分之一不到的病毒蛋白数量(可以等效为病毒粒子数量),就能达到同样的结合效果。因此突变增强传染性,是很明显的事情。

  他还提出,突变一两个氨基酸就让蛋白质的亲和力增加百倍的例子并不少见。有关注HIV病毒抗体的研究发现,仅仅是94位的Phe突变为Ala,突变了一个氨基酸,就将其亲和力提高了80倍。

  张弓也强调,病毒亲和力提高100倍并不意味着传染性提高100倍,因为RBD与ACE2的结合虽是新冠病毒感染人体必不可少的第一步,但要达成真正的感染还有很多其他步骤,且受其他因素的影响。尽管如此,传染性提高应该是大概率事件。

  “其实这也很好理解,在严厉的隔离防控之下,病毒很难接触到易感者,所以病毒如果不能突变出高传染性,没多久就灭绝了。如此大的防控压力,筛选出‘超级病毒’是完全可以理解的,正如强大的抗生素压力能筛选出超级细菌一样”,张弓说。

  研究团队还发现,在这10条RBD存在突变的序列中,有6条都发现了突变体V376F,它首先是在香港,之后又在5个从法国采集的毒株序列中被发现。研究者认为,鉴于RBD是高度保守的,在法国与香港的病毒基因序列中都发现V367F突变体,这点对认识病毒传播很重要。这也说明这些毒株可能源自一个新的亚谱系,并已在世界范围内传播。不过还需要更多流行病学数据来确认它们之间的潜在联系。

  也有一些学者提到,该研究所采用的是计算机模拟数据,误差会相对较大。一位不愿具名的生物化学专家向记者表示,蛋白与蛋白或蛋白与小分子结合力通常要通过实验测定,模拟计算本身有巨大的不确定性或者误差。“其实完全可以在实验室中将突变株表达一下,再用仪器测量,这样会给研究结论提供可信的支撑”。

  据他介绍,美国学者杰森·麦克莱伦(Jason S Mclellan)团队2月20日发表在《科学》杂志(Science)上的研究显示,新冠病毒S蛋白与ACE2受体的亲和力是SARS病毒的10-20倍,就是实验室测量的结果。所采用的是基于表面等离子共振(SPR)开发的新型生物分析传感技术BIACORE,现已广泛用来研究蛋白质、多肽、小分子化合物等生物分子的相互作用。

  张弓称,现在已有同行对他们的研究提出了一些细节修正意见,将很快予以改进,发布更新版的论文。对外他们则希望向公众传达新的知识,例如目前已经出现高传染性突变株的情况,可以为各国抗疫政策和监控策略的制定提供参考依据。

  该文中的提到的新冠病毒溯源以及RBD突变对疫苗研发的影响也引人注意。疫情发生以来,人们一直在追问新冠病毒的源头。研究者认为,由于新冠病毒与蝙蝠冠状病毒以及穿山甲冠状病毒RBD的高度同源性,这些野生动物特别是在武汉华南海鲜市场非法售卖的动物,被认为是感染人类的“原凶”,而他们的研究结果对这个假设提供了更多线索。

  研究者同样是利用平衡解离常数进行比较。结果发现,武汉病毒研究所石正丽团队在云南菊头蝠身上所发现的蝙蝠冠状病毒RaTG13,其RBD与人类细胞ACE2受体的KD值太大,不太可能直接感染给人。倒是穿山甲冠状病毒的KD值仅是SARS病毒的5.8倍,这表明穿山甲冠状病毒可能会在密切接触时感染给人,尤其是当人在不受保护的情况下密切接触到富含病毒的载体,例如感染动物的体液。而这与在海鲜市场的情况一致。此外,近年来在中国多省份发现的非法走私的马来穿山甲身上,科学家们也发现了高度同源的穿山甲冠状病毒广泛存在,这表明野生穿山甲可能是自然界中最常见的冠状病毒携带者。

  研究者还在讨论环节提到,S蛋白对于抗原识别也很重要。幸运的是,S蛋白的RBD仅仅发生了少许氨基酸突变,这也反映出这个结构域的保守性。从这点来看,靶向S蛋白RBD的疫苗可能仍然对新冠病毒有效。但S蛋白的突变体可能会改变病毒的抗原,并影响到疫苗的免疫效率。未来,突变所引发的生物结果还需要进一步证明。

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