《Science:用于研究语言的算法可预测SARS-CoV-2和其它病毒的“逃逸”突变》

  • 来源专题:中国科学院病毒学领域知识资源中心
  • 编译者: malili
  • 发布时间:2021-02-01
  • 通过弥合人类语言和病毒演化间的概念鸿沟,研究人员开发出了一种功能强大的新型工具,它能用来预测允许病毒“逃脱”人类免疫或疫苗的突变。它的应用可避免目前需要用高通量实验技术来发现允许病毒躲避识别的潜在突变。

    Yoo-Ah Kim和Teresa Przytycka在相关的《视角》中写道:“这些作者发现了病毒及其被宿主免疫系统的解读与自然语言中的句子及其被人类解读属性之间的相似处。”

    病毒有时会以旨在令其能逃避人体免疫系统并引起感染的方式突变,它也被称为病毒逃逸。病毒的这一能力是疫苗和抗病毒药物开发中的重大挑战,它尤其体现在创制通用型流感疫苗和HIV有效疗法之中。此外,病毒逃逸已迅速成为在争竞SARS-CoV-2感染解决方案中的紧迫问题。

    尽管对支配逃逸突变演变规则的了解可为治疗设计提供信息,但目前用于识别潜在逃逸突变的技术仍然有限。受语法(或句法)和含义(或语义)等语言学概念的启发,Brian Hie和同事应用自然语言处理(最初是为了训练计算机使用一系列单词来理解人类语言而开发的一种机器学习技术)来预测可能导致病毒利用氨基酸序列改变而逃逸的突变。

    与单词更改如何可以令句子保持语法正确但又能改变其含义类似,Hie等人证明,病毒如何能通过保持生物学“句法”正确的突变而实现免疫逃避;该“句法”控制着病毒的感染能力但又改变了病毒的“语义”,从而令中和抗体不再能识别该病毒。

    根据这些结果,针对甲型流感、HIV-1和SARS-CoV-2蛋白所研发的不同语言模型可准确预测有因果关系的逃逸突变,确定具高潜力逃逸的结构区域。这些模型无需事先培训且仅用原始序列数据就能取得这些结果。他们发现,对SARS-CoV-2而言,刺突蛋白(即病毒感染细胞所用蛋白)中的逃逸潜能在两个结构域中呈显著富集,但在另一结构域中却大量减少。

相关报告
  • 《MIT研究者利用自然语言算法预测病毒逃逸》

    • 来源专题:生物科技领域知识集成服务
    • 编译者:陈方
    • 发布时间:2021-03-08
    • MIT研究者利用自然语言算法预测病毒逃逸 可以发生逃避中和抗体的病毒突变,被称为病毒逃逸,这种现象阻碍了有效疫苗的开发。2021年1月14日Science报道,美国麻省理工学院的研究人员开发了一种计算模型可以对更容易发生逃逸突变的病毒表面蛋白片段进行精准预测,识别那些不易发生逃逸突变的片段作为新疫苗研发的靶点。 研究者使用最初为人类自然语言开发的机器学习算法对病毒逃逸进行建模。逃逸突变保留了病毒感染力但使病毒在免疫系统不能有效识别,类似于保留句子的语法性但改变其含义的单词变化。研究者针对甲型流感血凝素、HIV-1包膜糖蛋白和SARS-CoV-2尖峰糖蛋白构建了三种不同的无监督语言模型。这些病毒的语义分析都准确预测了病毒的逃逸突变,这些突变产生的序列在语法上是正确的,但在语义上被有效改变,因此能够逃避免疫系统。 该研究证实了语言模型可以仅使用序列数据就能准确预测结构逃逸模式,在自然语言和病毒进化之间建立了一个有潜力的概念桥梁。该模型还适用于癌症疫苗开发和不容易发生耐药性的分子药物研发。了解控制逃逸的复杂规则可以为疾病治疗设计提供重要信息。 吴晓燕 编译自https://news.mit.edu/2021/model-viruses-escape-immune-0114 原文链接:https://science.sciencemag.org/content/371/6526/284.full 原文检索:Learning the language of viral evolution and escape
  • 《Science:新研究揭示多价纳米抗体可阻断SARS-CoV-2感染并抑制突变逃逸》

    • 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:2021-01-18
    • 在一项新的研究中,由德国波恩大学领导的一个国际团队鉴定出并进一步开发了针对SARS-CoV-2冠状病毒的新型抗体片段。这些称为 “纳米抗体(nanobody)”的抗体片段比经典抗体更小,能更好地穿透组织,并能大量生产。这些研究人员还将这些纳米抗体组合成可能特别有效的分子,同时攻击这种病毒的不同部位。这种方法可能阻止这种病原体通过突变逃避活性制剂的攻击。相关研究结果于2021年1月12日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Structure-guided multivalent nanobodies block SARS-CoV-2 infection and suppress mutational escape”。 抗体是免疫系统抵御感染的重要武器。它们与细菌或病毒的表面结构结合,阻止细菌或病毒复制。因此,对抗疾病的策略之一就是大量生产有效的抗体,并将它们注入患者体内。即将离任的美国总统唐纳德-特朗普快速从这种病毒感染中康复过来很可能要归功于这种方法。但是,用于治疗他的抗体结构复杂,不能很深地渗透到组织中,可能会引起不必要的并发症。此外,生产抗体是困难的,也是耗费时间的。因此,它们可能不适合广泛使用。 在酵母或细菌中大量生产 论文共同通讯作者、波恩大学先天免疫研究所的Florian Schmidt博士解释说,“我们专注于另一组分子,即纳米抗体。纳米抗体是抗体片段,非常简单,可以由细菌或酵母生产,成本较低。” 然而,免疫系统产生的不同抗体数量几乎是无穷无尽的,它们都能识别不同的目标结构。例如,只有极少数抗体能够战胜SARS-CoV-2。寻找这些抗体就像在德国波罗的海沿岸寻找一粒沙子。Schmidt解释说,“我们首先将这种冠状病毒的表面蛋白注射到一只羊驼和一只美洲驼体内。它们的免疫系统就会产生主要针对这种病毒的抗体。除了复杂的正常抗体外,羊驼和美洲驼也会产生一种更简单的抗体变体,可以作为纳米抗体的基础。” 几周后,这些研究人员从这些动物身上提取了血液样本,从中提取了产生抗体的基因信息。这个“文库”中还包含着数百万种不同的构造图。在一个复杂的过程中,他们提取了那些能够识别这种冠状病毒表面的重要结构---刺突蛋白---的抗体。论文共同通讯作者、波恩大学医学院纳米抗体核心设施负责人Paul-Albert König博士解释说,“我们总共获得了几十种纳米抗体,然后我们对其进行了进一步的分析。” 从数百万种分子中找到4种 在细胞培养物中,四种纳米抗体分子实际上被证明对这种病原体有效。König解释说,“利用X射线结构和电子显微镜分析,我们还能够进一步展示它们如何与这种病毒的刺突蛋白相互作用。”这项实验是由瑞典卡罗琳斯卡医学院的Martin Hällberg、美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Nicholas Wu和美国斯克里普斯研究所的Ian Wilson领导的研究小组完成的。SARS-CoV-2刺突蛋白对感染至关重要。它的作用就像魔术贴,这种病原体通过它附着在被攻击的细胞上。接下来,这种刺突蛋白改变了它的结构。它丢弃了对这种病毒附着很重要的成分并介导这种病毒包膜与细胞膜的融合。König说,“纳米抗体似乎也会在这种病毒遇到其靶细胞之前触发这种结构变化---这是一种意想不到的新颖的作用模式。这种变化很可能是不可逆的;因此,这种病毒不再能够与宿主细胞结合并感染它们。” 这些研究人员还利用了纳米抗体相对于抗体的另一大优势:它们结构简单,允许直接组合形成有效性可提高数百倍的分子。König解释说,“我们已经将两种靶向这种刺突蛋白不同部分的纳米抗体融合在一起。这种融合物在细胞培养物中非常有效。此外,我们能够证实这极大地降低了这种病毒通过逃逸突变对活性制剂产生抵抗性的概率。”他们坚信,这些分子可能会被开发成一种新颖且有前景的治疗方案。波恩大学的衍生公司Dioscure Therapeutics将在临床研究中测试这些纳米抗体。