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北大结构生物学与抗体研发团队再度联合中国医科院动研所揭示新冠中和抗体功效和机制

日期: 2020-09-29

自今年2月新冠疫情暴发以来,亚博电子竞技生物医学前沿创新中心(BIOPIC)、北京未来基因诊断高精尖创新中心(ICG)研究员们在主任谢晓亮院士的带领下积极投入抗疫工作,发挥在单细胞基因组测序和高精确度检测等方面的特长、用最新的技术努力寻找治疗手段、改进诊断方法,在国家科技部和北京市教委的大力支持及北京市科委的协调下,联合多家单位为抗击新冠病毒贡献力量。历时3个月,成功从新冠肺炎康复期患者血浆中筛选出多个高活性中和抗体,研究成果发表于《细胞》杂志(“Cao Y et al., “Potent Neutralizing Antibodies against SARS-CoV-2 Identified by High-Throughput Single-Cell Sequencing of Convalescent Patients' B Cells,” Cell, DOI:10.1016/j.cell.2020.05.025.”)。 其中编号为BD-368-2的抗体表现突出,在假病毒实验中的半抑制浓度(IC50)达到1.2 ng/mL (8pM);在真病毒实验中IC50达到15 ng/mL (100pM)。在中国医学科学院医学实验动物研究所(中国医科院动研所)秦川教授团队的hACE2转基因小鼠模型中,BD-368-2可完全抑制病毒感染,世界第一个完成了新冠抗体的动物模型评价。

此外,本工作还发现由VH3-53VH3-66重链基因片段编码的中和抗体在不同病人中高度富集,体现了一种在人群中针对新冠病毒 “反复出现的”抗体响应(recurrent antibody response)。文章发表后,取得科研界广泛认可。

为了进一步探寻了这些高活性中和抗体的分子机制,北大结构生物学团队、抗体研发团队与中国医科院动研所再度合作,于2020915日在《细胞》杂志发表了新冠中和抗体机理研究最新进展:Structurally resolved SARS-CoV-2 antibody shows high efficacy in severely infected hamsters and provides a potent cocktail pairing strategy

首先,结构生物学苏晓东课题组、肖俊宇课题组等合作研究了BD-368-2与新冠病毒Spike三聚体的相互作用机制,并成功解析了二者形成复合体的高分辨冷冻电镜结构(图一)。结果表明,由于独特的结合表位,BD-368-2Spike受体结合区域(receptor binding domain, RBD)的结合不受其空间位置影响。无论RBD处于“上”或“下”的状态,BD-368-2均可与其发生很好的相互作用,从而彻底阻断Spike三聚体与ACE2受体的结合。

图一:BD-368-2Spike三聚体形成复合体的高分辨冷冻电镜结构。

之后,通过与中国医科院动研所秦川课题组合作,证明BD-368-2 不仅在显现轻症的hACE2转基因小鼠模型中可以抑制新冠病毒,还可以在表现新冠重症的成年仓鼠动物模型中显著缓解肺炎症状(图二、图三)。基于仓鼠模型,秦川课题组研究了抗体不同给药窗口、不同剂量的治疗效果,建立了给药时间、给药剂量与治疗效果的关系,为BD-368-2的临床研究打下基础。

图二:在重度感染仓鼠模型中BD-368-2在不同给药窗口(预防,治疗)有显著中和功效。

图三:在重度感染仓鼠模型中低剂量BD-368-2显示显著中和功效。

最后,谢晓亮课题组、苏晓东课题组、肖俊宇课题组等合作发现BD-368-2可以与VH3-53/VH3-66系列抗体同时结合RBD,并解析了多对此类抗体与RBD形成的三元复合体的晶体结构(图四)。在中国食品药品检定研究院王佑春,黄维金课题组合作研究中显示,BD-368-2BD-629(一个VH3-53/VH3-66系列中的高活性中和抗体)形成的抗体组合可以有效地中和自然界中已经出现的、可以逃逸单一抗体治疗的新冠病毒突变体。

图四:BD-368-2BD-629RBD形成三元复合体的高分辨晶体结构。

这些研究为进一步理解BD-368-2的活性机制、临床应用以及针对产生“突变逃逸”的新冠病毒变种的治疗奠定了重要基础。

亚博电子竞技杜硕、曹云龙、朱秦毓,中国医学科学院医学实验动物研究所于品、戚菲菲为共同第一作者。谢晓亮、苏晓东、肖俊宇、秦川为共同通讯作者。该工作受到北京市政府教委、科委和国家教育部、科技部等部门的大力支持。


主要作者介绍:

肖俊宇,结构生物学家,亚博电竞、北大清华生命科学联合中心研究员。2002年毕业于亚博电子竞技;2008年在密歇根大学获得理学博士学位;2009年到 2011年,在加州大学圣地亚哥分校做博士后,师从Jack Dixon教授;2011 2013年,在加州大学圣地亚哥分校作为项目科学家开展研究工作;2014年到2019年在亚博电子竞技担任助理教授;2014至今,在亚博电竞担任研究员/独立PI2020至今,担任亚博电子竞技长聘副教授。

苏晓东,结构生物学家,亚博电子竞技生物医学前沿创新中心(BIOPIC)常务副主任,国家自然科学基金委杰出青年基金获得者。1985年毕业于亚博电子竞技物理学院;1987年起在瑞典Karolinska皇家医学院细胞与分子生物学系攻读博士学位以及美国Howard Hughes医学研究所(HHMI)加州理工学院生物学部做研究助理(博士后);1998年至2002年在瑞典隆德(Lund)大学化学中心、分子生物物理学系先后担任助理教授、副教授。

谢晓亮,生物物理化学家,美国国家科学院院士、美国国家医学院院士、美国艺术与科学院院士、中国科学院外籍院士。1984年本科毕业于亚博电子竞技化学系,1990年在美国加州大学圣地亚哥分校获博士学位,在芝加哥大学完成博士后研究后到美国太平洋西北实验室工作。1998年被哈佛大学聘为化学和化学生物系终身教授,2009-2018年任哈佛Mallinckrodt讲席教授。2010年起在北大任生物动态光学成像中心(亚博电子竞技生物医学前沿创新中心前身)主任,2016年起任北京未来基因诊断高精尖创新中心主任。20187月起任亚博电子竞技李兆基讲席教授。2019年出任亚博电子竞技理学部主任。

秦川,实验病理学家,中国医学科学院医学实验动物研究所所长,国务院特殊津贴专家。2006年获病理学与病理生理学博士学位。主要从事实验病理学研究,创建了系列神经退行性疾病模型、我国最大的人类疾病动物模型资源库、比较医学技术平台和国家传染病动物模型技术平台。并在长期从事人类疾病动物模型研制、疾病机理研究与药物开发等模型应用中,开创了医学比较医学学科。获科技奖励18亚博电竞项(含首届全国创新争先奖、国家科技进步二等奖),获全国三八红旗手标兵、全国优秀科技工作者等荣誉。

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