《bioRxiv:科学家成功利用低温电镜技术揭示了奥密克戎变异毒株的奥秘!》

  • 来源专题:生物安全知识资源中心—领域情报网
  • 编译者: hujm
  • 发布时间:2022-01-05
  • 2021年11月24日科学家们首次在全球报道了SARS-CoV-2奥密克戎变异毒株(B.1.1.529),随后一段时间该变异毒株被宣布成为最新关注的新冠病毒变异毒株。近日,一篇发表在预印版平台bioRxiv上题为“Omicron's secrets revealed under a microscope”的研究报告中,来自洛桑联邦理工学院等机构的科学家们通过研究利用电镜技术揭示了奥密克戎变异毒株的奥秘。

    就在几周前,洛桑成为世界上最强大的电子显微镜的所在地,其被安装在杜波切成像中心(DCI),如今其成为了科学家们成功对抗SARS-CoV-2,尤其是目前正在全球范围内迅速蔓延扩散的奥密克戎变异毒株的宝贵工具。

    文章中,研究者Henning Stahlberg说道,我们正在与Didier Trono等其他科学家们联合研究制作出了奥密克戎变异毒株刺突蛋白结构的精确图像;目前DCI已经成功以2埃的分辨率产生了原始病毒毒株刺突蛋白的图像,这是迄今为止科学家们获得的最高的分辨率,从而就能帮助研究人员分析单一的原子结构;而且研究人员还能确切地揭示到底是哪些突变能让奥密克戎变异毒株完全对阿斯利康新冠疫苗完全产生耐受性以及对辉瑞新冠疫苗部分产生耐受性。

    有了高分辨率的电镜图像,研究人员就能改善他们理解突变的刺突蛋白到底是如何与人类机体的ACE2细胞受体所结合的,而这正是病毒能够进入到人类宿主细胞的原因。这一结果或能为研究人员开发新型治疗性手段铺平道路;在首次识别出奥密克戎变异毒株后不到一个月,研究人员就成功确定了该变异毒株的刺突蛋白,就好比利用望远镜首次观测后的几周内人类成功登陆一颗新的行星一样,这种技术的潜力让科学家们觉得非常不可思议。

    这一结构性的分析研究报告目前尚未经过同行专家的评议,然而目前全球的科学家们能利用这一技术/成果来研究奥密克戎变异毒株对当前所使用的药物产生的反应。综上,本文研究中,研究人员展示了奥密克戎变异毒株刺突蛋白的高分辨率低温电镜结构。

  • 原文来源:https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.12.27.474250v1;https://news.bioon.com/article/6794548.html
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    • 来源专题:生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者:hujm
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    • 虽然奥密克戎已来,但德尔塔仍是全球范围内占主导地位的毒株。从首次发现到以烈火燎原之势席卷全球,德尔塔只用了几个月。   是什么给了德尔塔超快的传播力?   经过3个多月的“追凶”,中国医学科学院基础医学研究所黄波教授、医学实验动物研究所秦川教授等研究团队最终“查明”了德尔塔究竟是怎样实现超快传播的。   “我们发现,德尔塔变异株能够攻破抗炎型肺泡巨噬细胞的防御机制,通过增加氨基基团的数量,在相对较高的pH环境下,完成刺突蛋白质子化,激活组织蛋白酶。组织蛋白酶通过切割病毒刺突蛋白,导致病毒颗粒的膜和内吞小体的膜在接触部位裂开,使得病毒RNA释放到细胞浆中,进而实现病毒快速传播。”12月21日,黄波告诉科技日报记者。   相关研究成果在线发表于国际学术期刊《信号转导与靶向治疗》。   新冠病毒德尔塔变异株因病毒载量高、传播能力强、传播速度快,出现以后迅速在全球肆虐,成为新冠肺炎疫情流行的主要毒株。   “带有T478K、P681R和L452R突变的德尔塔变异株是怎样实现超快传播的,以前我们十分不清楚。我们的研究揭开了德尔塔变异株超快传播的奥秘。”黄波说道。   要想弄明白德尔塔的传播机制,还得从新冠病毒是怎样感染人的说起。   人体肺部的呼吸气道在终末端出现膨胀,形成如气球样的结构,也就是肺泡。肺泡是氧气和二氧化碳交换的场所,其表面有薄薄一层液体,以维持肺泡的伸张,避免其塌陷。人体吸入空气时,不仅将氧气吸至肺泡,同时不可避免地将空气中潜在的细菌和病毒吸入至肺泡。   为了防御这种病原菌的入侵,在肺泡表面的液体层定居着免疫细胞,特别是具有吞噬功能的巨噬细胞,其在液体层定居的免疫细胞中占比达95%以上,医学上称之为肺泡巨噬细胞。这些巨噬细胞可以吞噬吸入空气中所包含的颗粒和微生物,维持肺泡的干净。   因此,一旦新冠病毒进入肺泡,肺泡巨噬细胞会立即将病毒颗粒吞噬,形成细胞膜包裹病毒颗粒的囊泡,即内吞小体,进而与胞浆内的溶酶体融合,从而将吞噬的生物体包括病毒完全降解。   但是,新冠病毒能够利用肺泡巨噬细胞的特定状态,从内吞小体内逃出,反过来利用巨噬细胞进行自我繁殖。   对此,黄波解释道,这是因为内吞小体内依赖低pH值的组织蛋白酶被激活,组织蛋白酶通过切割病毒刺突蛋白,导致病毒颗粒的膜和内吞小体的膜在接触部位裂开,使得病毒RNA释放到细胞浆中。这样,新冠病毒就可以实现快速增殖。   肺泡巨噬细胞会朝促炎和抗炎两个方向极化,促炎型内吞小体pH值偏酸性,能够促进组织蛋白酶激活;而抗炎型内吞小体pH值偏碱性,能够抑制组织蛋白酶激活。   “少部分人群,其肺泡巨噬细胞偏向促炎型,则易被新冠病毒感染,且易发展为重症,但是正常人的肺泡巨噬细胞偏向抗炎型,通常可以抑制组织蛋白酶激活,从而能够较好地抵御新冠病毒的入侵,表现为不发病或轻微感染。”黄波指出。   然而,黄波等人研究发现,德尔塔变异株能够攻破抗炎型肺泡巨噬细胞的防御机制。   “德尔塔变异株主要是其刺突蛋白的多个氨基酸发生了改变,改变的规律都是增加了氨基基团。组织蛋白酶活性与内吞小体内pH值密切相关。”黄波说,低pH值可以激活组织蛋白酶,这个过程的本质是病毒刺突蛋白的氨基更容易得到质子,即氨基质子化。   而德尔塔变异株通过增加氨基基团的数量,在相对较高的pH下,即可完成刺突蛋白质子化,从而能够被组织蛋白酶切割,使得病毒RNA被释放,从而实现快速传播。   黄波表示,这项研究有助于为开发小分子药物提供靶点,作用肺泡巨噬细胞,阻断德尔塔变异株病毒RNA从内吞小体逸出,进而将病毒送入溶酶体完全降解,达到预防和病毒早期感染控制的效果。
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    • 来源专题:生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2022-02-20
    • 令人关注的SARS-CoV-2奥密克戎突变毒株由于积累了大量的刺突突变,从而就能躲避来自疫苗接种或感染了早期突变体的抗体所介导的免疫力,近日,一篇发表在国际杂志Science上题为“Structural basis of SARS-CoV-2 Omicron immune evasion and receptor engagement”的研究报告中,来自华盛顿大学等机构的科学家们通过研究确定了奥密克戎突变毒株的刺突蛋白上的精确结构改变,研究者的观察结果或能帮助解释病毒如何躲避针对此前突变体的抗体,且能仍然保持高度传染性。 研究者David Veesler说道,本文研究发现提供了一张蓝图,或能帮助研究人员设计新的对策(无论是疫苗或是治疗手段)来应对可能出现的奥密克戎和其它冠状病毒突变毒株。奥密克戎突变毒株于2021年11月在南非被首次发现,目前其在全球所导致的感染和传播不断扩展,除了具有高度传染性外,该突变体还能躲避针对早期其它突变株的抗体,这或许就会导致已经接种疫苗或此前被感染的个体发生突破性的感染。 奥密克戎突变毒株的传染性被认为至少部分是由于病毒刺突蛋白上的氨基酸序列发生了大量的突变,其能利用刺突蛋白来锁定并进入其所感染的细胞中,奥密克戎突变毒株的刺突蛋白有37个突变,这使其与2020年第一批SARS-CoV-2分离株或有所不同。此前研究者Veesler及其同事发现,由6种最常用的疫苗所产生的抗体以及目前用于治疗感染的单克隆抗体中除了一种以外的所有抗体都具有降低或废除奥密克戎突变毒株的能力。 但突变毒株中的很多突变都会影响负责吸附并进入宿主细胞的刺突蛋白的区域的结构,这一区域称之为受体结合结构域,很多研究人员预测受体结合结构域结构所发生的改变或许会损伤突变毒株进入到细胞靶点上的能力,这一靶点就是称之为血管紧张素转换酶-2(ACE2)的蛋白质,然而,本文研究中,研究者Veesler及其同事通过研究发现,这种改变实际上会使得受体结合结构域与ACE2结合的能力增加2.4倍。 为了理解奥密克戎突变毒株在保留与宿主受体ACE2有效相互作用时为何会积累如此多的突变,研究人员利用低温电镜和X射线晶体学技术揭开了奥密克戎突变毒株刺突蛋白的3-D组织,这种方法或许就能使其达到大约3埃的分辨率,在这种分辨率下,研究人员就有可能会解析出组成刺突蛋白的单一氨基酸和基本部件的形状,此外,研究人员还揭示了刺突蛋白的结构改变如何影响有效抵御此前毒株的抗体与奥密克戎突变毒株结合的能力。利用这种技术,研究人员揭示了突变如何改变蛋白质与抗体的相互作用方式,从而就会使得针对该突变毒株的几乎所有单克隆抗体的能力降低,同时,刺突受体结合结构域与ACE2结合的能力也会得到增强,最后产生的总体效应就会使得受体结合结构域有可能会躲避靶向作用的抗体,并与ACE2更加紧密地结合。 研究者表示,这些病毒具有难以置信的可塑性,其能够改变很多,且仍然会维持其感染和复制所需要的所有功能,而且其几乎能够保证奥密克戎突变毒株并不是科学家们所看到的最后一个突变毒株。未来研究人员旨在研究并识别刺突蛋白上的其它区域,而这些区域或许并不能在不导致蛋白质失去功能的情况下被改变,由于这一重要性,这些区域往往更趋向于保持保守状态,即使蛋白质的其它部分发生了突变。 因此,病毒蛋白质的这种保守区域很有可能在新突变毒株出现的情况下保持不变,这些区域或许会成为新型疫苗和治疗性手段的理想靶点,而这些疫苗或治疗性策略或许不仅能有效抵御新的突变毒株,还能在抵御新的sarbecoviruses上保持有效性。综上,本文研究结果表明,研究人员提供了一张蓝图或能帮助理解其它治疗性单克隆抗体结合水平的显著下降会导致其中和活性的减弱;奥密克戎突变毒株受体结合结构域与人类ACE2之间的相互作用的重塑或许就能帮助解释宿主受体相对于祖先病毒的亲和力增强的结果。