Nature：谢晓亮/曹云龙等揭示Omicron感染极难实现群体免疫

新冠疫情暴发已逾两年，病毒在全球肆虐的态势未见消退，对人类生活、健康产生严重影响，奥密克戎变异株 BA.1、BA.2、BA.2.12.1、BA.4、BA.5 的接连出现对疫苗接种的预防效果和抗体药物的治疗效果提出了严峻挑战，新变异株的受体结合能力和免疫逃逸能力亟待详尽研究。 2022年6月17日， 北京大学生物医学前沿创新中心 （BIOPIC） 、昌平实验室 谢晓亮 / 曹云龙 课题组联合北京大学生命科学学院 肖俊宇 课题组、中国科学院生物物理所 王祥喜 课题组、中国食品药品检定研究院 王佑春 课题组、南开大学 沈中阳 课题组，在 Nature 期刊在线发表了题为： BA.2.12.1, BA.4 and BA.5 escape antibodies elicited by Omicron infection 的研究论文。 该研究发现， 奥密克戎突变株 BA.2.12.1、BA.4、BA.5 新亚型呈现出更强的免疫逃逸能力，并且对奥密克戎 BA.1 感染者康复后血浆出现了显著的中和逃逸现象。 研究团队通过高通量单细胞测序、分离并表征上千个新冠单克隆中和抗体后，发现奥密克戎 BA.2.12.1、BA.4、BA.5 进化出的新突变能够特异性逃逸 BA.1 感染所诱导产生的中和抗体。并且，奥密克戎 BA.1 感染存在“ 免疫原罪 ”现象，即 BA.1 感染主要唤起之前原始株疫苗所诱导的记忆B细胞，而很难产生特异性针对 BA.1 的中和抗体。 这些发现提示，基于 BA.1 的奥密克戎疫苗可能已不适合作为现有免疫背景下的加强针，所诱导出的抗体对新变异株将不具有广谱保护效力。并且， 由于新冠病毒存在“免疫原罪”现象并且可以快速进化出免疫逃逸突变位点，通过奥密克戎感染实现群体免疫是极难实现的。  

该研究最早于2022年5月2日在线发布于 bioRxiv 预印本平台，是世界首篇系统性研究 BA.2.12.1 和 BA.4/5 刺突蛋白结构和体液免疫逃逸特性，揭示奥密克戎突变株“免疫原罪”分子机制的研究论文，在国际学术界引起了广泛关注，受到了 Science、New York Times、ABC News 等多家知名媒体的报道。 目前主要的奥密克戎变异株都具有较高的传播能力，为了研究其传播能力与刺突蛋白 （Spike glycoprotein） 构象和受体结合能力的关系，合作团队解析了奥密克戎变异株 BA.2、BA.3、BA.2.12.1、BA.2.13 以及 BA.4/5 刺突蛋白三聚体的冷冻电镜结构，并分别测定各突变体刺突蛋白或受体结合域 （RBD） 与 hACE2 的亲和力。 结构分析表明，BA.4/5 携带的 F486V 突变可能导致 hACE2 亲和力下降，但 L452R 和 493Q 回复突变降低了这一影响。研究结果显示 BA.2.12.1、BA.2.13 和 BA.4/5 对 hACE2 的亲和力与 BA.2 相当 （图1） 。 图1：奥密克戎各突变株Spike结构与RBD的hACE2亲和力 

研究发现，接种三针疫苗人群的血浆对 BA.2.12.1 和 BA.4/5 的中和能力相比 BA.2 有大幅下降，且 BA.1 突破感染的康复者血浆对 BA.2.12.1 和 BA.4/5 的中和能力也有明显下降。流式细胞分析和单细胞 VDJ 测序结果说明，BA.1 突破感染主要唤起人体内接种疫苗后产生的对原始株的体液免疫记忆，由此诱发的抗体可以同时中和原始株和 BA.1，但对新变体的广谱中和活性不佳，这符合“免疫原罪”理论，提示基于 BA.1 的奥密克戎疫苗难以对新的突变体提供广谱有效的预防能力，可能并不适合作为现有人群免疫背景下的加强针 （图2） 。 图2：疫苗接种者、BA.1突破感染康复者、接种疫苗的SARS康复者血浆对各毒株的中和活性 

对抗体药物的研究也印证了奥密克戎株新亚型高度的中和抗体逃逸能力，多数现存抗体药物对奥密克戎中和活性大大下降。BA.2、BA.4 和 BA.5携带的 S371F、D405N 和 R408S 位点突变导致大部分乙型冠状病毒广谱抗体 （如S309） 失活，而 LY-CoV1404 （Bebtelovimab） 和 COV2-2130 （Cilgavimab） 仍然对 BA.2.12.1 和 BA.4/BA.5 保持中和活性。 此外，团队筛选出了一对表位不冲突的广谱乙型冠状病毒中和抗体组合 SA58 和 SA55，该抗体对能高效中和包括奥密克戎株新亚型在内所有流行过的突变株，以及非典病毒，RaTG13，Pangolin-GD 等 Sarbecovirus 病毒，有望成为兼具强效预防和治疗效果的药物 （图3） 。 图3：现存抗体药物对各毒株的中和活性 

为了进一步探究奥密克戎突变株的中和抗体逃避机制，团队利用高通量深度突变扫描技术确定了1640 个与 RBD 结合的抗体的逃逸图谱、表位分布和对奥密克戎株中和功效，其中614个和411个分别来源于 BA.1 康复者血浆和接种新冠疫苗的 SARS 康复者血浆。通过对逃逸图谱的无监督聚类，抗体分为 A、B、C、D1、D2、E1、E2.1、E2.2、E3、F1、F2、F3 共12类，数据表明属于同一类内的抗体有相似的结合抗原和中和特征，各类抗体的主要逃逸位点与该类代表性抗体在复合物结构中的结合表位一致 （图4） 。 图4：原始株RBD抗体的表位分类及各类抗体特征 

614个来自 BA.1 突破感染康复者血浆的抗体中包括512个原始株/BA.1 RBD 交叉结合的抗体，以及102个仅结合 BA.1 RBD 的抗体。交叉结合抗体主要富集于 E2.1、E2.2、E3、F1 等非 ACE2 竞争表位，其中 E3 和 F1 类抗体的中和活性普遍较差，E2.2 类抗体中和活性一般，E2.1 类抗体虽有较好的中和活性，但受携带 L452Q 的 BA.2.12.1 和携带 L452R 的 BA.4/5 的影响，中和活性降低。仅结合 BA.1 的抗体则几乎都与 ACE2 竞争，具体的结合位点与结合原始株 RBD 的抗体大不相同，这表明 BA.1 RBD 的抗原性相比原始株 RBD 有很大变化。同时，这部分抗体被 BA.2 和 BA.2.12.1 的 D405N 及 BA.4/5 的 F486V/L452R 严重逃逸。这些结果单个抗体水平解释了为何 BA.1 突破感染的康复者血浆被奥密克戎株新亚型逃逸 （图4、图5） 。 图5：BA.1 RBD特异性抗体的表位分类、中和活性及逃逸位点 

假病毒中和实验和结构分析表明，SARS-CoV-1/2 RBD 交叉结合的广谱中和抗体集中分布的表位 （E1、F2、F3） 也都受到 BA.2、BA.2.12.1、BA.2.13 和 BA.4/5 所携带的 S371F、D405N、R408S 突变的影响。其中 E1 类抗体由于 S371F 引起的局部构象变化导致亲和力下降，F2/F3 类抗体多数被 D405N 和 R408S 突变逃逸。这表明乙型冠状病毒B支系 （sarbecovirus） 的广谱中和抗体也在很大程度上被奥密克戎 BA.2、BA.2.12.1、BA.2.13 和 BA.4/5 变异株逃逸 （图6） 。 图6：乙型冠状病毒B支系广谱中和抗体的中和活性、结构特征及逃逸位点 

本研究展示了联合高通量单细胞测序技术和高通量深度突变扫描技术在抗体筛选表征工作上的强大应用潜力，结合逃逸图谱聚类和各个表位代表性抗体的结构分析，成功在单个抗体水平上解析出奥密克戎 BA.1 株突破感染康复者血浆中抗体的表位分布，以及奥密克戎株新亚型逃逸各类中和抗体的物理化学机制，并构建出新冠病毒 RBD 抗体结合表位、逃逸图谱、中和活性的综合数据库，为后续抗体药物和广谱疫苗的研发提供数据支撑。 

昌平实验室、北京大学生物医学前沿创新中心曹云龙副研究员，北京大学博士研究生阿依江·伊斯马衣、简繁冲、宋玮良、肖天贺、王菁，北京大学生命科学学院杜硕博士，中国科学院生物物理所王磊，中国食品药品检定研究院李倩倩、于原玲，南开大学陈筱素为本文的共同第一作者。昌平实验室、北京大学生物医学前沿创新中心谢晓亮教授、曹云龙副研究员，北京大学生命科学学院、昌平实验室肖俊宇研究员，中国科学院生物物理所王祥喜研究员，中国食品药品检定研究院王佑春研究员，南开大学沈中阳教授为本文的共同通讯作者。