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专访美国病毒学家刘善虑:XBB.1.5免疫逃逸增强,详解奥密克戎进化

澎湃新闻记者 陈竹沁
2023-01-19 15:41
来源:澎湃新闻
生命科学 >
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·“希望在2023年内能看到WHO宣布结束新冠‘全球大流行’。不过,疫情结束不代表科学研究停止,HIV病毒研究了40多年,连疫苗都没有影子,很多机制还没搞清楚,对于冠状病毒的很多研究现在也只是开端。”

美国俄亥俄州立大学华裔病毒学家、美国微生物科学院院士刘善虑。图片来源:美国密苏里大学

新冠病毒侵入人体细胞的主要方式是膜融合,但也会促使细胞和周围的同类细胞融合,形成合胞体,导致组织内的细胞损伤和死亡。

“奥密克戎亚型最早出现时,我们发现病毒膜融合能力极其弱,都吃惊得不得了。”美国俄亥俄州立大学华裔病毒学家、美国微生物科学院院士刘善虑告诉澎湃科技记者,后来的真实世界病例研究佐证了这一发现:奥密克戎致病力大大减弱,也从原来主要感染肺变为主要感染上呼吸道。

然而,刘善虑团队最新的研究发现,经过一年时间进化,奥密克戎变异株的膜融合能力自BA.2以来不断增强,BQ.1.1尤其明显,到了XBB.1.5还有所增强,这与恢复增强的刺突蛋白(Spike Protein,即S蛋白)加工有关,经过人体Furin蛋白酶切割加工的刺突蛋白可以更高效地入侵人体细胞,另一个因素是关键氨基酸突变引起刺突蛋白构象不再像原始奥密克戎株那么牢固,“不过整体上它能形成合胞体的能力比原始株D614G还是差一些。”

刘善虑解释,“当然这只是体外的细胞水平实验结果,提示病毒感染细胞的能力(即传染性)逐渐增强,更重要的是应该相信流行病学大数据。目前在人群中还没有看到致病性增强,XBB.1.5和BQ.1.1毒株感染在住院和死亡率上都没有明显变化。”

刘善虑团队还研究了三种最新奥密克戎变异株XBB.1.5、CH.1.1和CA.3.1的中和抗体逃逸水平,它们几乎都完全逃逸了三剂mRNA疫苗刺激诱发的中和抗体,但补打二价疫苗加强针产生的中和抗体还能起到一定的中和作用;此外,最近占优势的BQ.1.1变异株比XBB.1.5具有更强的中和抗性,“所以民众不必过于担忧。”刘善虑说。相关论文于1月18日公布于预印本平台bioRxiv。

刘善虑团队研究发现,新毒株几乎完全逃逸了三剂mRNA疫苗刺激诱发的中和抗体,但补打二价疫苗加强针产生的中和抗体还能起到一定的中和作用。受访者供图

1月18日,澎湃科技记者专访刘善虑教授,详解新冠病毒在传染性和致病性方面的进化方向和分子机制。

“触底反弹”的膜融合:奥密克戎从鼠回到人?

“病毒的传染性是由自身的特性和宿主因素共同决定的。”刘善虑介绍,病毒由刺突蛋白介导进入宿主细胞,后天免疫的抗体与病毒膜蛋白结合,可以有效抑制病毒进入; 但是当病毒突变后,就发生了免疫逃逸,“不断变异本身就是RNA病毒的特性。”

他指出,病毒进化的目的是更大限度地复制自己,传播给更多宿主,而不是把宿主杀死,这样导致自己也存活不了,因此传染性和致病性往往是呈现相反的趋势。

“就像SARS(严重急性呼吸道综合征)和MERS(中东呼吸综合征)以及埃博拉都有相当高的致死率,相应的传播时间也不会太久。这是病毒的共性,也是病毒学上的共识。”刘善虑认为,最近奥密克戎毒性减弱,可以认为是从pandemic(全球大流行病)到endemic(地方性流行病)的转变。“病毒进化的整体趋势是致病性越来越弱,虽然在某些阶段也会增强。”

当病毒跨种群传播,从一个宿主跳到另一个新宿主时,致病性往往会增强,因为新宿主没有任何针对新来病毒的任何免疫能力。刘善虑举例说,比如“病毒仓库”蝙蝠含有很多种病毒,它们对蝙蝠都不大致病,但经过中间宿主传人或者直接传人的时候,致病性就很强,新冠病毒在武汉刚开始暴发时的情形也正是如此。

“新冠病毒在人群中传了两年后,到了奥密克戎致病性上变弱了。这种情形类似于引发普通感冒的另外几种人类冠状病毒(HCoV-229E、HCoV-OC43、HCoV-NL63、HCoV-HKU1),它们在经过多年的逐渐适应后,已经和人类共存,大多人都有抗体,使得我们现在做实验找个真正阴性对照都非常困难,当然在致病性上也弱。”

为何奥密克戎病毒对人体细胞的膜融合能力会呈现“触底反弹”的怪象?刘善虑比较认可“新冠病毒传给动物再传回到人”的假说,证据之一是,美国明尼苏达大学李放教授团队发表在美国科学院院报上的研究表明,奥密克戎毒株与原始毒株比较,更能与小鼠的ACE2受体结合。目前不少病毒学家认为,新冠病毒可能在2020年中期某个时间传给了鼠类,一年半后又传回到人身上,“这相当于是新冠病毒的又一次reset(重启),需要稍稍再次适应人类,所以在短时间又慢慢进化出这么多亚株,当然也有外界的免疫压力,以增加感染人细胞的能力, 更有利于病毒复制。”

刘善虑提到,目前已经有30多种动物被报道可以染上新冠。过去几年,欧美多国有暴发“水貂疫情”,还出现过新冠病毒在水貂体内变异并感染人,丹麦政府曾下令大规模扑杀水貂。俄亥俄州立大学也有研究发现,美国40%以上的鹿也被检测出新冠阳性。为此,刘善虑和多位科学家曾建议中国加强对动物的新冠病毒监测。

最近美国农业部也发布经费申请指南,促进研究系统普查动物中的新冠病毒感染情况,包括哪些动物可能对新冠病毒更易感。“艾滋病毒、埃博拉病毒的起源分别是猴子和蝙蝠,科学家都已经意识到,病毒学研究绝不能忽视动物,但关键是缺少经费支持。全球各国多年前就提出了‘同一健康’(One Health)理念,人类健康和动物健康是共同体。”

另一个需要保持警惕的问题是新冠病毒基因重组,这也可能导致病毒致病性增强。“病毒重组引起的diversity(多样性)的变化要比单纯突变的影响要大得多,有点类似于流感病毒里的抗原转换(antigenic shift),而不是抗原漂移(antigenic drift)。”

刘善虑实验室去年曾在《新英格兰医学杂志》发文报道Deltacron毒株,即德尔塔毒株和奥密克戎毒株之间的重组病毒,它们各自有很强的致病性和传播性,“幸运的是那个重组位点不那么重要,基本上继承了原始奥密克戎毒株而不是德尔塔的特性,也没有流行起来。”他同时认为,如果德尔塔毒株还在某些人群中存在,这些人又被感染了奥密克戎新毒株,也有可能发生重组,产生出新的重组病毒,但他希望这样的低概率事件最好不要发生。

目前在全球许多地区流行的XBB谱系,最初是奥密克戎亚型BA.2的两个第二代变体BA.2和BA.2.75之间的重组体,“奥密克戎亚型之间的重组,引起更大致病性的可能性小;但新冠病毒万一和致死率高达30%的MERS病毒重组,那情形就完全不同了。”刘善虑说。早在2021年初,不少科学家就呼吁要重视新冠病毒重组问题,各国都应持续监测和公开分享最新的流行毒株信息。

“只要不发生大的病毒基因重组,产生全新的毒株,基本上我们已经看到新冠疫情结束的曙光了。”刘善虑表示,希望在2023年内能看到世界卫生组织(WHO)宣布结束新冠“全球大流行”(global pandemic)。不过,疫情结束不代表科学研究停止,“HIV病毒研究了40多年,连疫苗都没有影子,很多机制还没搞清楚,对于冠状病毒的很多研究现在也只是开端。”

非结构蛋白:病毒与宿主共同进化的“拉锯战”

影响新冠病毒的传染性和致病性的分子机制究竟如何?

刘善虑介绍,新冠病毒刺突蛋白上的突变直接影响病毒的感染性和传播能力,但对致病性作用不大。武汉疫情暴后,在2020年1月底出现了一个点突变D614G,使得与人ACE2受体结合能力大大增强,病毒感染性一下增加了十倍左右,至今所有的变异株中还都含有这个突变位点。

重组病毒XBB.1.5是在含有F486S的XBB刺突蛋白的基础上获得了一个G252V突变,又在此基础上多获得了一个新突变S486P。刘善虑解释,残基F486代表着一个关键的进化热点,在此前的奥密克戎亚变异体中曾反复出现,包括F486V、F486I、F486S。根据其团队模拟的病毒结构模型,F代表疏水结构,S突变增强了毒株的免疫逃逸性,而P突变有助于病毒与ACE2受体结合,使得XBB.1.5在保持了和XBB.1差不多的免疫逃逸性的基础上,传染性却得到进一步增强。

奥密克戎变异株刺突蛋白上的突变位点。受访者供图

病毒的致病性指的是,病毒感染细胞组织后,机体如果无法有效清除病毒,病毒可能杀死细胞或者引起炎症反应。“刺突蛋白主要是把病毒引进门,而到了细胞里,病毒怎样跨越宿主细胞内的各种先天免疫屏障,主要靠非结构蛋白来扫除障碍,帮助病毒复制。”刘善虑指出,病毒的致病性在很多时候由非结构蛋白决定,虽然有的非结构蛋白很小,但在调节宿主的先天免疫和炎症反应方面起到重要作用,比如调节干扰素诱导的细胞因子等。

2023年1月11日,美国波士顿大学科研团队在《自然》(Nature)杂志上发表研究论文,发现非结构蛋白NSP6的突变,是奥密克戎致病性减弱的重要原因,而刺突蛋白对此影响很小。 NSP6蛋白的功能是促进感染细胞中某些膜囊泡的形成,充当病毒基因组扩增的“工厂”。新冠病毒感染会引发肺炎和急性呼吸窘迫综合征,而NSP6还和炎症有关,可能在其中发挥了作用。

另外包膜蛋白(E)是新冠病毒的最小结构蛋白,也被认为是重要的致病因子。2022年4月,中科院上海药物研究所高召兵/夏冰清团队联合武汉病毒所团队发现,E蛋白形成酸敏感的阳离子通道,可以杀伤敏感细胞,诱导炎症因子分泌。而该通道的一个高频自发点突变T9I显著降低其细胞杀伤和致炎效应,并显著降低病毒的载量和释放,可能是奥密克戎变异株致病力“温和”的关键分子基础。

该团队的一项最新研究,提出了该通道上5个高频点突变的模型,用来预测新冠病毒致病力演化的方向。对此,刘善虑认为,光有体外细胞水平的模型还不够,需要在人体正常的生理状态下和动物实验中得到验证。

“新冠病毒基因全长约30kb,编码的结构和非结构蛋白在功能上很多都是在其他病毒里发现过的,这一点都不奇怪。”刘善虑谈到,NSP6就像HIV(艾滋病毒)的毒力因子Nef,它也是非结构蛋白。而E蛋白能形成离子通道,这也和HIV的Vpu蛋白、HCV的p7蛋白功能非常相似。“这些小蛋白往往在最原始的病毒中是没有的,都是病毒后来为了对付宿主的先天免疫屏障慢慢进化出现的。”

刘善虑说,最简单的逆转录病毒MLV(鼠白血病病毒)只有三个最基本的蛋白,没有其他辅助蛋白,而HIV有6个辅助蛋白,还有3个调控蛋白,所以MLV对宿主的调节先天免疫能力就比HIV差了很多,尽管附属蛋白glycoGag有时也起些作用。“病毒最基本的结构蛋白就像盖房子所必需的砖块,而非结构蛋白是额外的修饰,多数为了抑制宿主的先天免疫。从病毒方面说只要能成功地复制产生下一代就可以,而不是把宿主杀死。所以辅助蛋白不是病毒主动的选择,而是不得已的进化办法。”

“病毒和宿主之间就像军备竞赛,总是想战胜对方,宿主的蛋白也会相应进化,所以经过几百年的长期进化过程,就像一场拉锯战。有的病毒因为适应性不强就被淘汰和消失掉了,只有那些在宿主体内具有高度适应性的病毒才会存活。”刘善虑说,新冠病毒有几个有限的结构蛋白和众多非结构蛋白,目前很多功能还不清楚。“我觉得未来从病毒学研究角度,要了解病毒和宿主的相互作用,这些蛋白都是相当重要的。”

新冠病毒新型传播机制,进一步逃避抗体中和

2023年1月7日,中科院上海药物所高召兵团队与武汉病毒所、昆明动物所联合研究团队报道了一种新型病毒传播模式,新冠病毒感染可产生一类新型胞外囊泡(EVs),这种囊泡可以装载大量病毒颗粒,不仅保护病毒免受抗体的中和,而且介导病毒以非经典受体人ACE2依赖的模式侵入宿主细胞,产生新的感染。

2021年11月,刘善虑团队也在美国科学院院报上首次揭示了新冠病毒在结合人ACE2受体产生膜融合之外,还存在细胞之间的传播(cell to cell transmission)。“这是新冠病毒更加隐蔽的一种复制自己的方式,当然也会影响病毒的致病性。 但目前研究仅限于体外细胞水平,究竟在人体组织内的作用以及在致病性上的作用还不清。”刘善虑说。

“囊泡介导的传播和细胞间传播类似,病毒颗粒被保护起来,使得抗体接触不到病毒,病毒就可以逃避一般的抗体中和。这是比较棘手的,需要细胞内抗体(intrabody)来抑制病毒。”刘善虑补充解释,细胞间传播也有很多不同模式,比如通过类似神经突触的病毒突触 (virological synapse)或者纳米管(nanotubes),但是并非所有的细胞间传播的病毒都不能被抗体抑制,“比如HIV的广谱抗体就可以抑制,但HCV就不能被抑制。”

“细胞间传播是一个非常有趣的科学问题,在很多病毒中都可以发生,但体内研究比较困难。好消息是,现有抗病毒药物如瑞德西韦(Remdesivir)对于抑制这类病毒细胞之间的传播仍然有效。”刘善虑说。

刘善虑也一直关注着广谱抗体药物的研发进展。由于奥密克戎迅速变异,使得被批准上市的所有抗体药物几乎均已失效。虽然有些广谱抗体药物已在细胞水平证明可以抑制病毒复制,但仍需在人体临床实验中进一步验证,“而且只要药物有效,就一定会产生耐药性。虽然目前几种抑制病毒复制的药物效果不错,但还需进一步发展,将来可能要采取联合用药的方式来对付耐药性。”

他还建议,对于使用免疫抑制剂的肿瘤病人或免疫缺陷的器官移植病人,可以重新考虑采取血浆治疗。“2020年时,使用恢复期病人的血浆,抗体滴度较低,效果不好,所以很多被中止了,但现在打过疫苗加强针的普通人的血浆抗体滴度非常高,比单抗的效果好得多。”

    责任编辑:卢雁
    校对:丁晓
    澎湃新闻报料:021-962866
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