自新冠病毒奧密克戎變異株出現以來，其子代變異株井噴式湧現，并呈現出 " 趨同演化 " 的趨勢，大量中和抗體藥物和康複者血漿已經被逃逸，給新冠疫情的防控帶來了十分嚴峻的考驗。" 趨同演化 " 現象形成機制以及演化終點亟需深入探究。
北京大學生物醫學前沿創新中心（BIOPIC）、北京昌平實驗室曹雲龍/謝曉亮課題組聯合中國食品藥品檢定研究院王佑春課題組于 2022 年 12 月 19 日在《自然》雜志在線發表了題為"Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent Omicron RBD evolution"的研究論文，系統地探究了新冠病毒受體結合域（RBD）" 趨同演化 " 的機制，并前瞻性地對病毒未來突變演化方向進行了預測，為廣譜疫苗和抗體藥物的設計與研發提供了寶貴的理論與數據支持。
研究人員對不同免疫背景人群中分離得到的抗體進行了大規模中和測定和逃逸圖譜表征，發現病毒趨同進化産生的變異株幾乎逃逸了目前所有中和抗體藥物、疫苗接種者或康複者血漿，包括 BA.5 突破感染者血漿。并且，由于 " 免疫印迹 " 現象的存在，奧密克戎亞型變體突破感染後産生的抗體多樣性逐漸降低，特别是 BA.5 突破感染，這提示基于 BA.5 變異株研發的疫苗加強針不能對新出現變異株産生良好的交叉防感染保護效果。另外，研究者基于抗體的大規模中和測定和逃逸圖譜表征的數據建立了一個計算模型，對病毒演化方向進行了合理預測。盡管這些新突變株，特别是其中的 XBB、BQ.1.1 和 CH.1.1 等支系具有前所未有的免疫逃逸能力，作者團隊此前篩選出的廣譜中和抗體藥物組合 SA55+SA58，特别是 SA55，仍然強效中和所有主要突變株和未來短期内可能流行的突變株，且能同時具有治療和預防作用，是目前唯一已知能夠高效中和所有新突變株的，處于臨床階段的藥物抗體，相關論文此前于 12 月初發表于知名生命科學期刊 Cell Reports。該抗體具有廣譜中和能力強、将很難被未來變異株逃逸、半衰期長等特征，将特别适用于不适合接種疫苗的老年人、免疫缺陷人群等群體的防護。
本研究最早于 2022 年 9 月 16 日在線發布于 bioRxiv 預印本平台，是世界首篇系統性研究新冠病毒 " 趨同演化 " 機制，預測病毒進化方向的研究論文，在國際學術界引起了廣泛關注。
病毒的持續突變演化使得多種較高增長優勢的變異株陸續湧現，BA.2.3.20、BA.2.75.2 及其支系，乃至最近出現的 BQ.1.1 和 XBB 等變異株相比于 BA.5 都具有更高的增長優勢。盡管它們的進化過程各不相同，處于奧密克戎的不同支系，但其受體結合結構域（RBD）上的突變都集中于 R346、K356、K444、V445、G446、N450、L452、N460、F486、F490、R493 和 S494 等位點，呈現出 " 趨同演化 " 的趨勢（圖 1）。
圖 1 奧密克戎亞型變體 RBD 蛋白攜帶的突變
中和測定的數據提示 " 趨同演化 " 産生的變異株具有極強的逃逸能力，絕大多數中和抗體藥物都被以 XBB 為代表的變異株逃逸（圖 2），包括此前已初步進入國内市場的阿斯利康公司 Evusheld（" 恩适得 "）預防抗體藥物。由于此類新突變株的流行，美國 FDA 也取消了禮來公司 Bebtelovimab（貝特洛韋單抗）的使用授權。唯一的例外是作者團隊開發的 SA55 抗體，它是目前唯一對包括 XBB 和 BQ.1.1 等在内的所有突變株仍舊有效的進入臨床階段的抗體藥物（圖 3）。
圖 2 奧密克戎亞型對中和抗體藥物的逃逸情況
圖 3 廣譜中和抗體 SA55 和 SA58
血漿中和數據也顯示，XBB，CH.1.1 和 BQ.1.1.10（或 BQ.1.18）等毒株不僅逃逸了三針滅活疫苗接種者的血漿，也幾乎完全逃逸奧密克戎BA.1/BA.2/BA.5突破感染者的血漿樣本，顯示出極大的免疫逃逸能力（圖 4）。
圖 4 奧密克戎亞型逃逸疫苗接種者與康複者血漿中和
為了探究不同奧密克戎變異株呈現 " 趨同演化 " 現象的具體機制，團隊從 BA.1、BA.2 或 BA.5 突破感染康複者體内富集了抗原特異性記憶 B 細胞，發現其中大部分記憶 B 細胞交叉結合新冠原始株和奧密克戎變異株，印證了之前作者團隊報道的存在于奧密克戎突破感染中的 " 免疫印迹 " 現象。基于高通量深度突變掃描技術，團隊對不同來源的 3051 個交叉結合新冠原始株與奧密克戎變異株的抗體進行了突變逃逸圖譜測定與聚類分析（圖 5a），發現奧密克戎特别是 BA.5 變體突破感染刺激産生的有效中和抗體種類明顯減少，産生的主要是 E2.2、E3 和 F1 等不競争 ACE2 結合表位且中和能力較弱的抗體（圖 5b-d ) 。
圖 5 奧密克戎亞型變異株突破感染刺激産生抗體的表位表征
基于抗體逃逸圖譜、抗體中和活性、RBD 突變對于 ACE2 親和力變化等數據，團隊建立了一個模型，分别計算了 BA.2 和 BA.5 突破感染刺激産生抗體的突變逃逸圖譜 ( 圖 6a ) ，結果顯示，BA.5 突破感染刺激産生抗體的突變逃逸位點顯著減少，表明其結合表位多樣性明顯減少。這提示，免疫印迹現象使得奧密克戎變異株突破感染刺激産生中和抗體表位多樣性降低，導緻免疫壓力集中，從而加速了病毒的趨同進化。在此基礎上，研究者基于 2022 年 8-9 月真實世界的主流免疫狀态，基于計算模型預測了 BA.2.75 和 BA.5 的進化趨勢（圖 6b），這在随後趨同進化産生的新毒株中得到驗證。
圖 6 免疫印迹效應加速了抗體逃逸突變的趨同進化
另外，研究人員基于 BA.2.75 和 BA.5 突變株的預測進化趨勢，設計了攜帶不同 RBD 和 NTD 預測突變組合的假病毒（圖 7a）, 并測定了這些假病毒對不同中和抗體藥物和血漿樣本的中和情況及 ACE2 親和力（圖 7b-g），結果顯示，對 BA.5 或 BA.2.75 突變株最少引入 5 個突變就可以逃逸包括 BA.5 突破感染者在内的不同免疫狀态下的幾乎所有血漿樣本。并且合成的假病毒與之後真實世界流行的 BQ.1.1 支系，CH.1.1 支系等高度相似，驗證了預測模型的準确性。
圖 7 趨同逃逸突變的累積能夠幾乎完全逃逸 BA.1/BA.2/BA.5 突破感染血漿的中和作用
本研究揭示了 " 免疫印迹 " 造成的奧密克戎突破感染刺激産生抗體表位多樣性降低，進而導緻免疫壓力集中化，促使新冠病毒 RBD 蛋白發生趨同演化的現象，這些積累趨同進化突變的病毒在獲得極強突變逃逸能力的同時，也保持了較高 ACE2 親和力。本研究中的預測方法為預測病毒突變演化趨勢、開發廣譜疫苗和抗體藥物提供了參考資料，且具有擴展到其他體系的潛力。同時，研究結果也提示，基于 BA.5 突變株研發的疫苗對于其他變體的交叉保護效果很可能不夠理想，進一步開發設計能夠克服免疫印迹、激活廣譜中和抗體的新型疫苗至關重要。而以 SA55+SA58 抗體組合為代表的廣譜中和抗體既可以通過鼻噴給藥方便快捷地在呼吸道建立短效預防，又可以通過注射實現感染初期的治療和中長期預防，特别适用于保護高風險的醫護人員以及不宜接種疫苗的免疫缺陷人群和老年人。SA55 與 SA58 已經授權給科興生物進一步開發，初步的單盲随機對照試驗顯示，噴霧吸入一次提供的即時保護可維持 6-12 小時，預防感染效率可達到 80% 以上，且成本較低，方便使用，目前正在進行更嚴謹的臨床試驗，預計将來可以大規模推廣。
北京昌平實驗室、北京大學生物醫學前沿創新中心曹雲龍研究員，北京大學博士研究生簡繁沖、王菁、宋玮良，中國食品藥品檢定研究院于原玲為 Nature 論文的共同第一作者。北京昌平實驗室、北京大學生物醫學前沿創新中心曹雲龍研究員、謝曉亮教授、中國食品藥品檢定研究院王佑春研究員為 Nature 論文的共同通訊作者。
北京昌平實驗室、北京大學生物醫學前沿創新中心曹雲龍研究員，北京大學博士研究生簡繁沖、張志瑩、阿依江 · 伊斯馬衣，地壇醫院郝曉花博士，北京協和醫學院鮑琳琳研究員為 Cell Reports 論文的共同第一作者。北京昌平實驗室、北京大學曹雲龍研究員、謝曉亮教授、肖俊宇教授，北京協和醫學院秦川教授，地壇醫院金榮華院長為 Cell Reports 論文的共同通訊作者，北京大學、昌平實驗室、動物所、中檢院、科興公司等單位的相關科研人員為共同作者。
本系列研究得到科技部、昌平實驗室基金、國家自然科學基金和北京市科技計劃支持。
專家點評
1
清華大學醫學院祁海教授
這一工作深入探究了構成當前新冠大流行的多個奧密克戎毒株對人類群體免疫的逃逸規律。曹雲龍 / 謝曉亮聯合團隊發現，多個奧密克戎株亞型在受體結合蛋白上都顯現出相同或類似的逃逸突變。這些突變，在保證病毒結合其受體的同時，躲避了之前中和抗體的抑制作用。這說明，人群序貫疫苗接種和自然感染所構建起的群體免疫，的确在阻斷并降低既往毒株感染；同時，這種群體免疫的壓力，也為未來病毒變異留下了越來越少的潛在逃逸路徑。那麼，我們是否可以根據已有的群體免疫狀态和現有毒株的受體結合蛋白，來預測未來最有可能出現的逃逸突變呢？曹雲龍 / 謝曉亮聯合團隊利用他們開發的一種高通量深度突變掃描（DMS）方法，分析、鑒定了 BA5 和 BA2 可能逃逸群體免疫的突變。非常重要的是，他們預測出來的突變，确實出現在了其它具有流行潛力的毒株上。曹雲龍 / 謝曉亮聯合團隊這項研究所提供的這種預測能力，可以幫助我們更高效地設計廣譜抗新冠疫苗，也會使我們更可能為所有潛在逃逸現有群體免疫的毒株準備好 " 特效藥 "。
2
中國科學院生物物理所王祥喜研究員
新冠病毒一直在持續性進化，衍生出多種突變株；然而在奧密克戎出現之後，新冠病毒的演變速度明顯加快。近半年來，就有 BA.5、BF7、BA.2.75、BQ、XBB 等近十種新突變株在一些國家成為主要流行突變株。這些新突變株往往其傳染性和抗體逃逸能力都在增強。總體來講，人類對新冠病毒的研究是被動地跟着病毒跑，一個新突變株出現後再去了解它的病毒特性，去探究新突變株對現有疫苗和藥物的影響。如何前瞻性預測病毒演變的方向，提前預判未來一段時間内可能出現的突變株具有重要的戰略意義。
2022 年 12 月 19 日，北京大學謝曉亮 / 曹雲龍團隊聯合中檢院王佑春團隊在Nature上發表題為 Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent Omicron RBD evolution 研究論文，這是該團隊繼新冠中和抗體、新冠疫苗效果評估、追蹤新突變株免疫逃逸特性後，又一系統性而創新性工作。該項研究有五點重要發現：1）從龐大的數據庫中分析出近期有幾十個新突變株其生長優勢超越 BA.5，且這些突變株有一定的共性，在某些特定位點攜帶相同或相似的突變，呈現趨同進化規律；2）這些新突變株展示出極強的抗體逃逸特性，基本逃逸國際上已批準上市的抗體藥物；3）一個抗體對組合 SA55/SA58（也是該團隊的研究成果）依然高效中和這些新突變株；4）從原始株感染康複者、BA.1/BA.2/BA.5 突破感染者等不同免疫背景分離 2000 餘株抗體，并繪制出不同免疫背景下抗體譜系特征。相對之前的免疫背景，BA.5 突破感染者的主要中和抗體類别相對單一，非中和抗體比例提高，更容易滋生病毒變異去逃逸宿主免疫；5）利用高通量酵母展示技術精準繪制出抗體免疫逃逸圖譜，與 BA.2 突破感染的免疫背景相比，BA.5 突破感染中和抗體的免疫逃逸位點相對集中且大多出現在近期出現的突變株上。實驗數據與真實世界監測結果高度一緻。這一研究成果能夠實現對未來一段時間内新突變株的精準預測，預先了解這些新突變株的病毒特性能夠為科學精準防控留出寶貴的時間窗口。
參考文獻
[ 1 ] Cao, Y. et al. Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent Omicron RBD evolution. Nature ( 2022 ) .
[ 2 ] Cao, Y. et al. Omicron escapes the majority of existing SARS-CoV-2 neutralizing antibodies. Nature ( 2022 ) .
[ 3 ] Cao, Y. et al. BA.2.12.1, BA.4 and BA.5 escape antibodies elicited by Omicron infection. Nature ( 2022 ) .
[ 4 ] Cao, Y. et al. Rational identification of potent and broad sarbecovirus-neutralizing antibody cocktails from SARS convalescents. Cell Rep. ( 2022 )
本文來源：北京大學融媒體中心、北京大學生物醫學前沿創新中心等，版權屬于原作者，僅用于學術分享。
