自新冠病毒奥密克戎变异株出现以来，其子代变异株井喷式涌现，并呈现出”趋同演化“的趋势，大量中和抗体药物和康复者血浆已经被逃逸，给新冠疫情的防控带来了十分严峻的考验。“趋同演化”现象形成机制以及演化终点亟需深入探究。
北京大学生物医学前沿创新中心(BIOPIC)、北京昌平实验室曹云龙/谢晓亮课题组联合中国食品药品检定研究院王佑春课题组于2022年12月19日在《自然》杂志在线发表了题为“Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent Omicron RBD evolution”的研究论文，系统地探究了新冠病毒受体结合域(RBD)”趋同演化“的机制，并前瞻性地对病毒未来突变演化方向进行了预测，为广谱疫苗和抗体药物的设计与研发提供了宝贵的理论与数据支持。
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研究人员对不同免疫背景人群中分离得到的抗体进行了大规模中和测定和逃逸图谱表征，发现病毒趋同进化产生的变异株几乎逃逸了目前所有中和抗体药物、疫苗接种者或康复者血浆，包括BA.5突破感染者血浆。并且，由于“免疫印迹”现象的存在，奥密克戎亚型变体突破感染后产生的抗体多样性逐渐降低，特别是BA.5突破感染，这提示基于BA.5变异株研发的疫苗加强针不能对新出现变异株产生良好的交叉防感染保护效果。另外，研究者基于抗体的大规模中和测定和逃逸图谱表征的数据建立了一个计算模型，对病毒演化方向进行了合理预测。尽管这些新突变株，特别是其中的XBB、BQ.1.1和CH.1.1等支系具有前所未有的免疫逃逸能力，作者团队此前筛选出的广谱中和抗体药物组合SA55+SA58，特别是SA55，仍然强效中和所有主要突变株和未来短期内可能流行的突变株，且能同时具有治疗和预防作用，是目前唯一已知能够高效中和所有新突变株的，处于临床阶段的药物抗体，相关论文此前于12月初发表于知名生命科学期刊Cell Reports。该抗体具有广谱中和能力强、将很难被未来变异株逃逸、半衰期长等特征，将特别适用于不适合接种疫苗的老年人、免疫缺陷人群等群体的防护。
本研究最早于2022年9月16日在线发布于bioRxiv预印本平台，是世界首篇系统性研究新冠病毒“趋同演化”机制，预测病毒进化方向的研究论文，在国际学术界引起了广泛关注。
病毒的持续突变演化使得多种较高增长优势的变异株陆续涌现，BA.2.3.20、BA.2.75.2及其支系，乃至最近出现的BQ.1.1和XBB等变异株相比于BA.5都具有更高的增长优势。尽管它们的进化过程各不相同，处于奥密克戎的不同支系，但其受体结合结构域(RBD)上的突变都集中于R346、K356、K444、V445、G446、N450、L452、N460、F486、F490、R493和S494等位点，呈现出“趋同演化”的趋势(图1)。
图1 奥密克戎亚型变体RBD蛋白携带的突变
中和测定的数据提示“趋同演化”产生的变异株具有极强的逃逸能力，绝大多数中和抗体药物都被以XBB为代表的变异株逃逸(图2)，包括此前已初步进入国内市场的阿斯利康公司Evusheld(“恩适得”)预防抗体药物。由于此类新突变株的流行，美国FDA也取消了礼来公司Bebtelovimab(贝特洛韦单抗)的使用授权。唯一的例外是作者团队开发的SA55抗体，它是目前唯一对包括XBB和BQ.1.1等在内的所有突变株仍旧有效的进入临床阶段的抗体药物(图3)。
图2 奥密克戎亚型对中和抗体药物的逃逸情况
图3 广谱中和抗体SA55和SA58
血浆中和数据也显示，XBB，CH.1.1和BQ.1.1.10(或BQ.1.18)等毒株不仅逃逸了三针灭活疫苗接种者的血浆，也几乎完全逃逸奥密克戎BA.1/BA.2/BA.5突破感染者的血浆样本，显示出极大的免疫逃逸能力(图4)。
图4 奥密克戎亚型逃逸疫苗接种者与康复者血浆中和
为了探究不同奥密克戎变异株呈现“趋同演化”现象的具体机制，团队从BA.1、BA.2或BA.5突破感染康复者体内富集了抗原特异性记忆B细胞，发现其中大部分记忆B细胞交叉结合新冠原始株和奥密克戎变异株，印证了之前作者团队报道的存在于奥密克戎突破感染中的”免疫印迹“现象。基于高通量深度突变扫描技术，团队对不同来源的3051个交叉结合新冠原始株与奥密克戎变异株的抗体进行了突变逃逸图谱测定与聚类分析(图5a)，发现奥密克戎特别是BA.5变体突破感染刺激产生的有效中和抗体种类明显减少，产生的主要是E2.2、E3和F1等不竞争ACE2结合表位且中和能力较弱的抗体(图5b-d)。
图5 奥密克戎亚型变异株突破感染刺激产生抗体的表位表征
基于抗体逃逸图谱、抗体中和活性、RBD突变对于ACE2亲和力变化等数据，团队建立了一个模型，分别计算了BA.2和BA.5突破感染刺激产生抗体的突变逃逸图谱(图6a)，结果显示，BA.5突破感染刺激产生抗体的突变逃逸位点显著减少，表明其结合表位多样性明显减少。这提示，免疫印迹现象使得奥密克戎变异株突破感染刺激产生中和抗体表位多样性降低，导致免疫压力集中，从而加速了病毒的趋同进化。在此基础上，研究者基于2022年8-9月真实世界的主流免疫状态，基于计算模型预测了BA.2.75和BA.5的进化趋势(图6b)，这在随后趋同进化产生的新毒株中得到验证。
图6 免疫印迹效应加速了抗体逃逸突变的趋同进化
另外，研究人员基于BA.2.75和BA.5突变株的预测进化趋势，设计了携带不同RBD和NTD预测突变组合的假病毒(图7a),并测定了这些假病毒对不同中和抗体药物和血浆样本的中和情况及ACE2亲和力(图7b-g)，结果显示，对BA.5或BA.2.75突变株最少引入5个突变就可以逃逸包括BA.5突破感染者在内的不同免疫状态下的几乎所有血浆样本。并且合成的假病毒与之后真实世界流行的BQ.1.1支系，CH.1.1支系等高度相似，验证了预测模型的准确性。
图7 趋同逃逸突变的累积能够几乎完全逃逸BA.1/BA.2/BA.5突破感染血浆的中和作用
本研究揭示了“免疫印迹”造成的奥密克戎突破感染刺激产生抗体表位多样性降低，进而导致免疫压力集中化，促使新冠病毒RBD蛋白发生趋同演化的现象，这些积累趋同进化突变的病毒在获得极强突变逃逸能力的同时，也保持了较高ACE2亲和力。本研究中的预测方法为预测病毒突变演化趋势、开发广谱疫苗和抗体药物提供了参考资料，且具有扩展到其他体系的潜力。同时，研究结果也提示，基于BA.5突变株研发的疫苗对于其他变体的交叉保护效果很可能不够理想，进一步开发设计能够克服免疫印迹、激活广谱中和抗体的新型疫苗至关重要。而以SA55+SA58抗体组合为代表的广谱中和抗体既可以通过鼻喷给药方便快捷地在呼吸道建立短效预防，又可以通过注射实现感染初期的治疗和中长期预防，特别适用于保护高风险的医护人员以及不宜接种疫苗的免疫缺陷人群和老年人。SA55与SA58已经授权给科兴生物进一步开发，初步的单盲随机对照试验显示，喷雾吸入一次提供的即时保护可维持6-12小时，预防感染效率可达到80%以上，且成本较低，方便使用，目前正在进行更严谨的临床试验，预计将来可以大规模推广。
北京昌平实验室、北京大学生物医学前沿创新中心曹云龙研究员，北京大学博士研究生简繁冲、王菁、宋玮良，中国食品药品检定研究院于原玲为Nature论文的共同第一作者。北京昌平实验室、北京大学生物医学前沿创新中心曹云龙研究员、谢晓亮教授、中国食品药品检定研究院王佑春研究员为Nature论文的共同通讯作者。
北京昌平实验室、北京大学生物医学前沿创新中心曹云龙研究员，北京大学博士研究生简繁冲、张志莹、阿依江·伊斯马衣，地坛医院郝晓花博士，北京协和医学院鲍琳琳研究员为Cell Reports论文的共同第一作者。北京昌平实验室、北京大学曹云龙研究员、谢晓亮教授、肖俊宇教授，北京协和医学院秦川教授，地坛医院金荣华院长为Cell Reports论文的共同通讯作者，北京大学、昌平实验室、动物所、中检院、科兴公司等单位的相关科研人员为共同作者。
本系列研究得到科技部、昌平实验室基金、国家自然科学基金和北京市科技计划支持。
专家点评
清华大学医学院祁海教授
这一工作深入探究了构成当前新冠大流行的多个奥密克戎毒株对人类群体免疫的逃逸规律。曹云龙/谢晓亮联合团队发现，多个奥密克戎株亚型在受体结合蛋白上都显现出相同或类似的逃逸突变。这些突变，在保证病毒结合其受体的同时，躲避了之前中和抗体的抑制作用。这说明，人群序贯疫苗接种和自然感染所构建起的群体免疫，的确在阻断并降低既往毒株感染;同时，这种群体免疫的压力，也为未来病毒变异留下了越来越少的潜在逃逸路径。那么，我们是否可以根据已有的群体免疫状态和现有毒株的受体结合蛋白，来预测未来最有可能出现的逃逸突变呢?曹云龙/谢晓亮联合团队利用他们开发的一种高通量深度突变扫描(DMS)方法，分析、鉴定了BA5和BA2可能逃逸群体免疫的突变。非常重要的是，他们预测出来的突变，确实出现在了其它具有流行潜力的毒株上。曹云龙/谢晓亮联合团队这项研究所提供的这种预测能力，可以帮助我们更高效地设计广谱抗新冠疫苗，也会使我们更可能为所有潜在逃逸现有群体免疫的毒株准备好“特效药”。
中国科学院生物物理所王祥喜研究员
新冠病毒一直在持续性进化，衍生出多种突变株;然而在奥密克戎出现之后，新冠病毒的演变速度明显加快。近半年来，就有BA.5、BF7、BA.2.75、BQ、XBB等近十种新突变株在一些国家成为主要流行突变株。这些新突变株往往其传染性和抗体逃逸能力都在增强。总体来讲，人类对新冠病毒的研究是被动地跟着病毒跑，一个新突变株出现后再去了解它的病毒特性，去探究新突变株对现有疫苗和药物的影响。如何前瞻性预测病毒演变的方向，提前预判未来一段时间内可能出现的突变株具有重要的战略意义。
2022年12月19日，北京大学谢晓亮/曹云龙团队联合中检院王佑春团队在Nature上发表题为Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent Omicron RBD evolution研究论文，这是该团队继新冠中和抗体、新冠疫苗效果评估、追踪新突变株免疫逃逸特性后，又一系统性而创新性工作。该项研究有五点重要发现：1)从庞大的数据库中分析出近期有几十个新突变株其生长优势超越BA.5，且这些突变株有一定的共性，在某些特定位点携带相同或相似的突变，呈现趋同进化规律;2)这些新突变株展示出极强的抗体逃逸特性，基本逃逸国际上已批准上市的抗体药物;3)一个抗体对组合SA55/SA58(也是该团队的研究成果)依然高效中和这些新突变株;4)从原始株感染康复者、BA.1/BA.2/BA.5突破感染者等不同免疫背景分离2000余株抗体，并绘制出不同免疫背景下抗体谱系特征。相对之前的免疫背景，BA.5突破感染者的主要中和抗体类别相对单一，非中和抗体比例提高，更容易滋生病毒变异去逃逸宿主免疫;5)利用高通量酵母展示技术精准绘制出抗体免疫逃逸图谱，与BA.2突破感染的免疫背景相比，BA.5突破感染中和抗体的免疫逃逸位点相对集中且大多出现在近期出现的突变株上。实验数据与真实世界监测结果高度一致。这一研究成果能够实现对未来一段时间内新突变株的精准预测，预先了解这些新突变株的病毒特性能够为科学精准防控留出宝贵的时间窗口。