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上课笔记|针对新冠病毒的mRNA 疫苗接种能诱导功能多样的针对 NTD、RBD 和 S2 的抗体
发布日期:2021-08-20浏览:

 

 

 

 

文章概要

这篇文章, 题目是《SARS-CoV-2 mRNA vaccination induces functionally diverse antibodies to NTD, RBD, and S2

 

文章发表在Cell杂志20217月刊上。

 

文单的题目,翻译成中文,意思是《新冠疫苗mRNA疫苗接种诱导的针对NTDRBDS2的抗体》

 

文章的通讯作者是Goran Bajic,他是美国纽约,西奈山伊坎医学院,微生物学系的助理教授。

 

 

研究背景

 

 

实验结果分析

 

实验内容的第一部分,mRNA疫苗接种后产生的抗体中非中和抗体比例高

作者找了一批康复期的新冠病人,和6个新冠疫苗的志愿参与者,检测他们体内的针对S蛋白的抗体反应。这6个新冠疫苗的志愿者被接种的是辉瑞的mRNA新冠疫苗。

 

左图,是康复期的病人的抗体反应强度。横轴是按照康复水平,把病人分了三等,再加一个阴性对照组。

 

可以明显地看到,康复越好的病人,体内的针对S蛋白的抗体反应越强。

 

右图,则是6名志愿者在接受疫苗注射之后,各个时间点的抗体反应强度。可以看到,这6个人的体内都产生了较强的抗体反应。

 

注意,志愿者在打第二针疫苗后一周,体内的抗体达到最高峰。

接下来,是测这些人的抗体对RBD的结合力。

 

RBD,receptor binding domain。“受体结合结构域”的意思。就是指S蛋白上与宿主的ACE2蛋白结合的那个结构域。

 

我们可以看到,左侧的图中,

 

康复期的病人,康复情况越好,他们的抗体对RBD的结合越强。

 

右侧图中,接受疫苗注射的志愿者体内也产生了能够结合到RBD上的抗体。

这是康复期病人、和疫苗志愿者的抗体对病毒的中和力。

 

同样可以看到,中和力和前面一张幻灯片说到的抗体的结合力有着相似的情况。

这两张图,是与S蛋白结合的抗体,与中和抗体的比例。

 

作者发现,在康复者的抗体中,抗体滴度低的人,他们体内的中和抗体的占比更高。注意,这里纵轴上,中和滴度是放在分母的位置的,所以图中显示的值越小,就是中和抗体的占比越高。

 

实验内容的第二部分,mRNA疫苗接种后会产生对季节性B型冠状病毒的S蛋白的中等抗性免疫反应

之前,就有报道,新冠病毒的感染会诱导产生针对人类冠状病毒的免疫反应,而大多数人预先就有对冠状病毒的免疫力。也就是说,新冠病毒的近亲,A型和B型冠状病毒,会与新冠病毒有交叉免疫。

 

这里,左边的2张图,是注射新冠疫苗后,志愿者体内产生的,针对A型冠状病毒的S蛋白的结合力。可以看到结合强度从几十到上千。229ENL63都是A型冠状病毒的毒株。

 

右边的2张图,是对B型冠状病毒的S蛋白的结合力。可以看到,针对B型冠状病毒的结合强度,在上千到上万。OC43HKU1都是B型冠状病毒的毒株。

 

也就是说,新冠病毒的疫苗,会在人体内诱发出相对更多的针对B型冠状病毒的抗体。

 

实验内容的第三部分,mRNA疫苗接种产生的浆母细胞反应同时针对RBDNTD

在三名志愿者的血液样本中,通过单细胞筛选,得到一系列单克隆抗体。这三名志愿者的编号是:V3V5、和V6

 

图中列出的,就是这些单克隆抗体。

这里,说一下S蛋白的三个主要的结构域。

 

RBD,receptor binding domain的首字母缩写,就是图中红色的这一块区域,这块区域是直接与宿主的ACE2蛋白结合的。

 

NTD,是N-terminal domain的首字母缩写,就是图中蓝色的这一块区域,它是S蛋白的N端。

 

S2,就是图中深灰色的这一块区域。

接着,作者用重组的S蛋白,来检测这些单克隆抗体对S蛋白的哪个结构域有亲和力。

 

这里,ABCD,四张图中,就显示了各个单克隆抗体对这4种重组蛋白的结合力,

 

1A图显示的是完整的S蛋白与各个单克隆抗体结合的情况,图中横条子的长度就是结合力的大小

 

2B图是S蛋白的RBD结构域与各个单抗的结合情况

 

3CS蛋白的NTD结构域

 

4D图是S蛋白的S2结构域

 

E图,是三个志愿者的单克隆抗体中,结合到各个结构域的单克隆抗体的占比。

 

注意,这里面,只有一小部分的单克隆抗体是结合到RBD区域的。也就是B图中,这些长的红色的条子所代表的单克隆抗体。

 

还有相当一部分的单克隆抗体是结合到NTD区域的,也就是C图中,这些蓝色的条子。

 

大部分的单克隆抗体是结合到S2区域,也就是D图中,紫色的这些条子。

 

还有3个单克隆抗体不结合到上述三个区域,也就是E图中,V3V5这两个志愿者中的灰色区域所代表的单克隆抗体。

 

实验内容的第四部分,来自mRNA疫苗接种者的单克隆抗体大多数是非中和性的

为了理解抗体中和病毒的实验,我在网上找了这张实验流程图,来帮助理解这个实验。

 

先在培养板上培养vero细胞,vero细胞是非洲绿猴肾细胞,是一种易于培养的细胞,它容易被新冠病毒感染。

 

在培养板的微孔中培养好vero细胞之后,把不同比例的抗体与新冠病毒的混合液加入到培养细胞的微孔中。

 

再培养一段时间之后,用染色的方法看有多少活的细胞,然后算出抗体对保护细胞不受病毒感染的能力。

这是前面说的那些单克隆抗体中有中和作用的抗体。

 

我们可以看到F图中,这些长的条子,就是有中和力的抗体。

 

对于V3这个志愿者来说,他的21个抗体中,只有一个结合到RBD区域的抗体,是有中和力的。

 

对于V5这个志愿者来说,他6个抗体中,只有一个结合到NTD区域的抗体,是有中和力的。

 

V6这个志愿者,他有1个结合到RBD区域的抗体,

 

4个结合NTD区域的抗体,是有中和力的。

 

中和力最强的,是V5-6的这个结合到NTD区域的抗体和,和V6-4这个结合到RBD的抗体。

作者又对这些抗体是否能够结合到人类的A型、和B型冠状病毒的S蛋白上,做了实验。

 

被检测的是前面提到过的四个病毒株,229ENL63HKU1、和OC43

 

结果,没有抗体结合到229EN63这两个毒株上,这两个毒株都是A型冠状病毒。

 

对于OC43这个毒株,有5个单克隆抗体有结合力。

 

对于HKU1这个毒株,有3个单克隆抗体有结合力。

 

也就是说,抗新冠病毒S蛋白的抗体,与B型冠状病毒有更多的交叉免疫,而与A型冠状病毒的交叉免疫不明显。

 

实验内容的第5部分,与S蛋白反应的浆母细胞的反应以lgG1+细胞为主,由有低水平体细胞超突变和有高水平体细胞超突变的细胞混合组成

作者对3个志愿者的分选出的浆母细胞做单细胞RNA测序。目的是搞清楚它们的表达谱,类型分布,和体细胞超突变。

 

这是单细胞RNA测序得到的UMAP图。每个志愿者,分别测到了30004000多个单细胞。

 

图中,紫色的点,是有产生BCR的。灰色的点,是不产生BCR的。

接着作者再用经典的浆细胞的Marker基因,MZB1PRDM1、和XBP1对单细胞进行标识。结果如图所示。

作者再用S蛋白结合的抗体V(D)J基因序列数据文库,对这些单细胞的数据进行分析。

 

分析得出,

 

志愿者V3的单细胞测序结果中有332个单细胞的BCR序列是能与S蛋白结合的,

 

志愿者V5是有7个单细胞可以,

 

志愿者V6是有1384个单细胞可以。

 

这里,作者不可能对每一个单细胞都做验证实验,所以只能是通过计算机演算来进行判断。

这是单细胞测序得到的抗体的分型,右侧的图例展示了各种抗体类型对应的柱子色块的颜色,

 

图中,三个柱子中的分区颜色,代表了三个志愿者的抗体的分型。

 

IgG1是所有这些抗体中占主导地位的抗体类型。

接着,作者对三个志愿者的B细胞,做了体细胞超突变的情况的分析。

 

S蛋白结合的B细胞中,积累了远高于幼稚B细胞的体细胞超突变。

 

V6这个志愿者的B细胞中的体细胞超突变,与季节性流感病毒疫苗所产生的突变频率差不多。

 

右图,是用SARS的疫苗,产生的抗体,会与beta冠状病毒的S蛋白产生交叉反应的情况。

 

可以看到,会产生交叉反应的1318个抗体,不会产生交叉反应的是411个抗体。也就是不会产生交叉反应的抗体占少数,会产生交叉反应的抗体占多数。

 

实验内容的第6部分,与RBD结合的中和单克隆抗体与RBD突变体的亲合力

前面,提到一共是分离到两个抗体,是既能结合到S蛋白的RBD区,又有对病毒的中和能力的。

 

也就是图中那两条长的红色条子代表的那两个抗体。

 

作者想搞清楚这两个抗体,在与ACE2蛋白竞争结合到S蛋白上时的竞争力。

 

同时,作者也想知道,这两个抗体,在面对有突变的S蛋白时的结合力的情况。

这是ACE2蛋白与S蛋白结合的空间构象图。

 

中间大的灰色的这个蛋白,是病毒的S蛋白。

 

上面粉红色的,是人类细胞上的ACE2蛋白。

 

S蛋白上红色的这部分,是RBD区域,

 

蓝色的这部分,是NTD区域。

 

S蛋白上的几个主要的突变的氨基酸,用黄颜色标出来。

 

左下角,A表格中,列出了几个重要的变异株的突变位置。

 

B.1.1.7,就是新冠病毒的alpha突变株。

 

B.1.351beta突变株。

 

P.1Gamma突变株。

这是两个抗体分别与ACE2蛋白,竞争与S蛋白结合的结果。

 

我们可以看到,当ACE2蛋白的浓度上升时,这两个抗体与S蛋白的结合都是逐步下降的

作者用生物层干涉仪,来分析了各个S蛋白的突变体与ACE2蛋白结合能力的改变。

 

例如,我们可以看到,N501Y这个突变,可以把S蛋白与ACE2蛋白的结合力提升5倍。

 

N501Y是病毒的alpha突变株中的一个重要突变。

 

其它的突变,也会造成结合力的各种改变,列在右边的表中了。

 

实验内容的第7部分,多克隆抗血清和单克隆抗体对RBD带变异的病毒的结合力谱

现在,新冠病毒出现了各种变异体,作者要了解多克隆抗体和单克隆抗体,对在RBD区域有变异的S蛋白的结合能力会有什么样的改变。

 

这张图就显示了康复的病人的血清,也就是多克隆抗体,对各种变异体的结合力。

 

图中,横轴是排列的各种S蛋白的变异体,其中最左边的wt RBD是野生型,放在这里作为对照组

 

纵轴是血清样本与各种S蛋白的变异体的结合力。

 

图中间的横线,它的高度是100%,它就代表血清对野生型S蛋白的结合力。

 

图中,有许多条折线,每一条折线就代表一个康复者的血清对各个变异体的结合力。

 

我们可以看到,这些折线都上下剧烈抖动,这说明突变对血清的结合力有很大的影响。

 

图中的红线,是各条曲线的平均值。

 

我们可以看到E406QE484KF490K,这三个单独的突变,对结合力的改变有最大的影响。

 

我们可以看到,完全丧失结合力的情况并不是很多,比较常见的是,结合力下降24倍。

 

B.1.351这个突变株,也就是beta突变株,它的结合力的下降是39%

 

P.1这个突变株,也就是Gamma突变株,它的结合力的下降是30%

这是6个疫苗接种志愿者的血清对RBD区域有变异的S蛋白的结合力。

 

6个志愿者的血清的结合力,用6种不同颜色的折线展示出来

 

部分变异导致的结合力下降,但是,下降也就是降到原来的一半左右。

这是单克隆抗体对RBD区域有变异的S蛋白的结合力。

 

我们可以看到,大体上,单克隆抗体对有变异的S蛋白的结合力略有下降,

 

下降程度较大的,大部分也就是下降到原来的一半左右,

 

只有少数情况会降到更低。

 

实验内容的第8部分,病毒的NTDE484K两类突变,对逃逸血清抗性可以忽略,但是NTD的突变明显地影响了结合到NTD的单抗中和能力

接下来,作者要研究NTD区域,也就是N末端,有突变的S蛋白,会对抗体的结合力有什么影响。

 

作者用PV14252这个毒株的S蛋白作为模型来进行研究。后面,为了方便说明,会把PV14252这个毒株称为“P毒株”

 

这个毒株在N末端带有几个突变,L141YW64R,从第142到第145个氨基酸的缺失,另外,还在RBD区域有E484K这个突变。

这两张图,左图是6个志愿者的血清对P毒株的中和力的改变。

 

我们可以看到,P毒株的突变,对血清的中和力的改变是较小的。

 

甚至,V2V5V6这三个志愿者的血清的中和力还加强了。

 

右图是几个单克隆抗体对P毒株的中和力的改变。

 

我们可以看到,那两个红色点代表的,针对RBD区域的抗体,它们的中和力变化不大,但是蓝颜色标的那5个针对NTD的抗体,它们的中和力是下降到几乎没有了的。

 

也就是说,S蛋白在NTD区域的突变,会造成结合到NTD区域的单克隆抗力的中和力的大幅下降,甚至丧失中和力。

 

实验内容的第9部分,AlphaBeta突变病毒对从浆母细胞来的中和抗体的逃逸

这是单克隆抗体对AlphaBeta这两个突变新冠毒株的中和力。

 

图中,横轴上排列的是三个新冠毒株,分别是野生型、alpha型、和beta型。

 

纵轴,是各个单克隆抗体对这三个毒株的中和力。

 

红色的是针对RBD区域的单抗,蓝色的是针对NTD区域的单抗。

 

可以看到,两个针对RBD区域的单抗,在对Alpha毒株时,中和力略有下降,

 

但是在对beta毒株时,中和力大幅下降。

 

5个针对NTD区域的单抗,在对Alpha毒株时,中和力都大幅下降,在对beta毒株时,中和力完全消失。

 

也就是说,alphabeta这两个突变株,是可以在很大程度上逃避结合到NTD的单克隆抗体的中和的

 

 

总结

 

 

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