Cell Reports |高福/戴连攀团队揭示马赛克纳米颗粒诱导沙贝冠状病毒广谱应答的免疫基础

（一）、研究背景介绍

Sarbecovirus（沙贝冠状病毒）包含SARS-CoV，SARS-CoV-2以及一些具有潜在传染人风险的动物源性冠状病毒，未来产生新的大流行病原的风险很高。研制泛沙贝冠状病毒的广谱疫苗对于应对未来大流行威胁具有重要意义。之前有研究表明，马赛克纳米颗粒疫苗针对沙贝冠状病毒可诱导产生广谱中和抗体，针对异源病毒的攻击可以提供更好的保护[1]。然而，其潜在的免疫学基础尚未阐明。

（二）、论文概要

近日，中科院微生物研究所高福院士/戴连攀研究员团队在CellReports上发表了题为“Mosaic RBD nanoparticle elicits immunodominant antibody responses across sarbecoviruses”的研究论文。该研究基于单细胞测序和抗体库研究，发现马赛克纳米颗粒能诱导产生针对不同沙贝冠状病毒谱系保守表位的免疫优势抗体，揭示出疫苗诱导广谱抗体应答的免疫学基础（图1）。

图1.马赛克纳米颗粒诱导沙贝冠状病毒广谱应答的免疫基础

（三）、结果分析与阐述

研究团队首先制备了一种以2,4-二氧四氢蝶啶合酶（lumazine synthase, LuS）正二十面体作为支架的马赛克自组装纳米颗粒，表面展示不同的沙贝冠状病毒受体结合域（receptor-binding domain, RBD）。通过疫苗免疫的血清对一系列沙贝冠状病毒（clade 1a，1b和3）假病毒中和抗体水平评价，发现马赛克纳米颗粒可诱导产生更高的交叉结合与中和抗体。团队进一步对其机制进行探究，通过对抗原特异性的生发中心B细胞（germinal center B cells, BGC）进行单细胞B细胞受体测序（single-cell B-cell receptor sequencing, scBCR-seq），结果发现相较于同型组（LuS-RBD），马赛克纳米颗粒（LuS-mRBD-B/C）诱导产生的BCR大量使用胚系基因对IGHV14-3:IGKV14-111，使用频率由2.6%扩增到10.5%和12.8%，占免疫显性地位（图2）。

     图2.同型和马赛克纳米颗粒诱导产生的胚系基因对抗体

胚系基因对抗体IGHV14-3:IGKV14-111发挥什么功能呢？作者分别从同型组、马赛克纳米颗粒组选择代表性的单克隆抗体（mAb）进行分析，这些mAbs分别代表最常见的遗传相似BGC克隆簇，以反映抗原特异性的多克隆抗体库。结果发现LuS-RBD组大多数mAbs只能与SARS-CoV-2原型RBD结合，与其它沙贝冠状病毒抗原的交叉反应活性较低（图3A）。相比之下，马赛克纳米颗粒诱导产生高比例对沙贝冠状病毒具有广谱结合活性的mAbs。这类广谱交叉反应mAbs不少都使用胚系基因对IGHV14-3:IGKV14-111（图3B，C）。所有源自IGHV14-3:IGKV14-111克隆的mAbs均与calde 1a和1b沙贝冠状病毒发生交叉反应，并有60%与clade 3 BtKY72相互作用。这提示在马赛克纳米颗粒疫苗中观察到广谱血清中和活性抗体产生的机制。

图3.同型和马赛克纳米颗粒疫苗中高频mAbs与一系列沙贝冠状病毒RBDs结合的亲和力。

这类IGHV14-3:IGKV14-111克隆的mAbs为什么具有广谱的交叉反应活性，靶向RBD的表位是在哪里？作者又选择了IGHV14-3:IGKV14-111代表性优势抗体M2-7进行抗体表位竞争实验。通过与RBD 1-8类表位mAbs和hACE2的竞争实验，发现M2-7与早先发现的泛沙贝冠状病毒mAb S2H97具有很强的竞争，但与RBD 1-7类表位mAbs和hACE2没有竞争（图4A）。先前的研究表明S2H97 mAb靶向一种隐蔽保守表位RBD-8，能够与所有沙贝冠状病毒结合，具有很高的亲和力，并且能够中和各种沙贝冠状病毒[2]。结果表明，M2-7像S2H97一样，是结合在一个隐蔽保守表位RBD-8，有助于其广谱的抗原结合活性。M2-7与SARS-CoV-2 RBD和hACE2复合物的冷冻电镜结构解析进一步发现，M2-7与RBD山峰下方侧脊上的表位结合，与S2H97 mAb在SARS-CoV-2 RBD的作用足迹有很大程度的重叠（图4B，C）。对沙贝冠状病毒相对应的M2-7 mAb在SARS-CoV-2 RBD的作用足迹分析揭示了一定程度的保守性，特别是在clade 1a和1b中，从而为其与多种沙贝冠状病毒的广谱结合活性提供结构基础（图4D）。

图4. M2-7抗体的表位竞争分析和结构解析

（四）、文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究揭示了同型和马赛克纳米颗粒疫苗诱导产生抗体库的差异。马赛克纳米颗粒诱导产生的抗体库展现出IGHV14-3:IGKV14-111胚系基因对的免疫显性地位。而且这类抗体具有广谱的交叉反应活性，可与clade 1a，1b，3谱系的RBDs发生结合，靶向保守的RBD-8位点。该研究同时存在一些局限性。由于沙贝冠状病毒缺乏抗原特异性的mAbs，无法验证每种RBD都均匀地展示在纳米颗粒表面，抗原负载的质量控制仍然是一个挑战。本研究中表征的BCR库来自小鼠，需要在人或Ig人源化小鼠模型中进一步验证。此外，由于感染模型及P3资源有限，还需进一步评价马赛克纳米颗粒疫苗对沙贝冠状病毒攻击的保护功效。

（五）、作者简介：

中科院微生物研究所高福院士、戴连攀研究员为论文共同通讯作者。中科院微生物研究所与广西大学联合培养博士生刘川玉、中国科学院大学医学院博士生胥森瑜、中国科学院微生物研究所博士后郑宇轩（已出站）为论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院创新青年团队、盖茨基金会等经费的支持。

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114235

（七）、参考文献：

[1] COHEN A A, GNANAPRAGASAM P N P, LEE Y E, et al. Mosaic nanoparticles elicit cross-reactive immune responses to zoonotic coronaviruses in mice [J]. Science, 2021, 371(6530): 735-741.

[2] STARR T N, CZUDNOCHOWSKI N, LIU Z, et al. SARS-CoV-2 RBD antibodies that maximize breadth and resistance to escape [J]. Nature, 2021, 597(7874): 97-102.