蛋白质设施用户研发针对新冠病毒的中和抗体鸡尾酒疗法并揭示其组成抗体2H2/3C1中和作用的分子机制
时间 : 2021-01-22     

2021年1月11日,国际学术期刊Nature Communications在线发表了国家蛋白质科学研究(上海)设施用户中科院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)丛尧团队与中科院上海巴斯德研究所黄忠课题组、复旦大学医学院谢幼华课题组、邓强课题组的合作研究论文“Development and structural basis of a two-MAb cocktail for treating SARS-CoV-2 infections”。该研究开发了一种可用于治疗新冠病毒感染的双抗体鸡尾酒疗法,基于冷冻电镜高分辨率结构解析及生化分析,阐明了2H2/3C1抗体的中和作用机制,首次捕捉到抗体触发的新冠病毒刺突蛋白三聚体通过逐步变构重排进而协同结合抗体的动态过程,具有重要的理论意义和临床转化价值。  

新冠病毒(SARS-CoV-2)引起的新冠肺炎在全球大流行,截止2021年1月11日,新冠肺炎累计感染人数超过9026万,累计死亡人数超过193万,对全球公共卫生造成严重威胁。针对病毒的中和性抗体具有靶点明确、药效显著等优点,基于单克隆抗体组合的埃博拉病毒治疗药物已获批上市。因此,开发新冠病毒中和抗体作为对抗新冠肺炎的潜在疗法被寄予厚望。  

研究团队前期工作发现,SARS-CoV-2刺突(S)蛋白上的受体结合域(RBD)重组蛋白免疫小鼠能够诱导产生高效价的中和抗体(Zang et al. Cell Discovery 2020, doi: 10.1038/s41421-020-00199-1)。在本项研究中,科研人员从RBD免疫的小鼠中分离出5个中和性单抗,通过抗体竞争实验和基于突变体的表位鉴定实验,将5个单抗分成2组。两个抗体组的代表性单抗2H2和3C1识别RBD上不同的表位,可组合成非竞争性抗体对。人源化改造的2H2/3C1抗体组合在体外中和SARS-CoV-2活病毒的半数抑制浓度(IC50)为12 ng/mL。更重要的是,2H2/3C1抗体组合在新冠病毒小鼠感染模型中具有极强的抗病毒活性,即使在小鼠感染新冠病毒24小时后注射2H2/3C1组成的抗体鸡尾酒,仍然能够显著降低病毒载量,起到治疗作用。  

研究人员还解析了一系列2H2或3C1单抗的抗原结合片段(Fab)分别与新冠病毒S三聚体结合形成复合体的冷冻电镜结构,分辨率达到3.8埃。上述结构研究明确了2H2及3C1单抗的结合表位,首次捕捉到抗体触发的新冠病毒S三聚体的构象变化空间,及其通过逐步变构重排进而协同结合抗体的动态过程,揭示了2H2/3C1抗体鸡尾酒协同中和新冠病毒的潜在分子机制。综上,该项研究开发了一种可用于治疗新冠病毒感染的双抗体鸡尾酒疗法,并从结构和生化上阐明了2H2/3C1抗体的中和作用机制,具有重要的理论意义和临床转化价值。  

该研究是蛋白质设施“新冠肺炎病毒相关研究的快捷绿色通道”批复的课题,在疫情期间得到了设施多个技术系统的大力支持。电镜分析系统与丛尧课题组密切合作,在冷冻电镜样品制备、海量电镜数据的收集和三维重构计算方面提供了重要的技术支持和机时保障;规模化蛋白质制备系统为样品制备上提供了支持;数据库与计算分析系统提供了稳定的计算平台及环境,保障海量数据计算的快速产出。

  
图例:(A)人鼠嵌合化单抗c3C1、c2H2及其组合对SARS-CoV-2活毒的中和;(B-C)嵌合化单抗组合在Ad5-ACE2转导的小鼠感染模型上的治疗效果(B图为感染小鼠肺部的病毒RNA的相对定量(RT-QPCR法);C图为肺部的病理切片);(D-E)抗体2H2与新冠病毒S蛋白三聚体结合形成复合体的3.8埃分辨率的冷冻电镜结构;2H2与受体结合域RBD的结合界面分析,2H2与该病毒受体ACE2在RDB上的占位有明显空间冲突;(F-G)抗体3C1与新冠病毒S蛋白三聚体结合形成复合体的冷冻电镜结构;3C1与RBD的结合界面分析,3C1的重链与新冠受体ACE2有空间冲突。  

全文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-20465-w  
(蛋白质设施上海提供)