做有价值的科研——走近王年爽，新冠疫苗背后的中国科学家

王年爽博士，结构生物学专家，抗击新冠一线科研工作者。1986年生于山东，2009年于中国海洋大学保送至清华大学生命科学学院攻读博士学位，师从王新泉教授。2014年进入“结构指导的疫苗设计”开拓者Jason McLellan教授实验室从事冠状病毒研究工作。疫情发生后，王年爽设计的S-2P被应用在多种新冠疫苗中。

王年爽很小的时候村里人叫他“大学生”，当时村里没出过大学生，他们觉得大学生是文化最高的人。村里人没想到的是，之前夸赞他的“大学生”仅仅是王年爽科研之路的起点。他后来去清华读了博，出了国，又在新冠这场世界级灾难中一显身手，贡献了又一份中国力量。

王年爽博士设计的“S-2P”技术可以稳定冠状病毒的S蛋白，显着提高抗原的免疫应答，大大加速了新冠疫苗的开发。目前，S-2P技术已被应用在Moderna和BioNTech的mRNA疫苗、强生的腺病毒载体疫苗以及Novavax 的重组蛋白疫苗等多种疫苗中。

01  什么是S-2P

目前欧美开发的大部分新冠疫苗都采用S蛋白作为抗原，这其实得益于王年爽博士设计的“S-2P”技术，即在S蛋白序列中添加2个脯氨酸（proline）突变，将S蛋白稳定在活性高的“融合前构象”。

我们知道，新冠病毒通过S蛋白与细胞表面的ACE2受体结合从而入侵人体。而S蛋白非常不稳定，在与ACE2结合的过程中会发生明显的构象变化，从而介导病毒的入侵过程。据王年爽博士介绍，在这个过程中，S蛋白会从活性状态变为失活状态。活性状态通常被称作“融合前构象”，失活状态则为“融合后构象”。融合后构象活性较低，不足以刺激人体的免疫反应。

S-2P技术创造性地在S蛋白中引入2个脯氨酸突变，使其稳定性大大得到提升，可以维持高免疫原性的融合前状态，从而诱发更强的免疫应答，为疫苗的研发铺平了道路。

其实，S-2P最初并不是为新冠病毒设计的，早在2016年王年爽博士就发明了这项技术，彼时他正在Jason McLellan实验室研究致死性更高的中东呼吸综合征冠状病毒（MERS）。据王年爽回忆，研究MERS S蛋白的两年多时间里，他前后构建了500余个质粒，穷尽各种方法手段：截短、去酶切位点、三聚化、中和抗体稳定构象、在结构中填充疏水空腔、加二硫键、删除不稳定区、以及最终获得成功的脯氨酸突变。

实验结果显示，S-2P显着提高了蛋白表达，并且能使S蛋白稳定在活性更高的融合前构象。

02  结构指导的疫苗设计

说到S-2P技术不得不提到一个疫苗研发领域的新概念——结构指导的疫苗设计，S-2P正是这个理念指导下的又一次突破性应用进展。

王年爽解释S-2P原理时经常用臂力棒作为例子。I型膜融合蛋白的构象改变类似于臂力棒的弹开，这个过程释放的能量用于推动病毒与人体细胞膜的融合。科学界最早认识到这一现象是在上世纪90年代早期，麻省理工学院的Peter Kim针对流感HA蛋白的构象变化最早提出了“Spring loaded Mechanism（弹簧加载机制）“。病毒入侵细胞伴随的就是一个加载的弹簧弹开的过程。

之后的二十年中，伴随着流感、HIV等病毒膜融合蛋白的结构、功能和免疫原性的一系列研究进展，科学家们逐渐印证了这一模型并更加丰富了这一概念。在流感研究中也发现，特定部位添加脯氨酸的HA蛋白会失去介导侵染的能力。由于融合前构象的蛋白代表了S蛋白的活性构象，具备更强的免疫原性，研究人员也开始做一些稳定融合前构象的早期尝试，但总体而言进展缓慢。

真正的突破是在2013年，当时尚在美国国立卫生研究院（NIH）的结构生物学家Jason McLellan将“结构指导的疫苗设计”理念用在了当年很棘手的呼吸道合胞病毒（RSV）疫苗中，成功稳定了RSV的F蛋白，动物学实验显示疫苗可诱发高水平的中和抗体。2013年，Science上的2篇论文报道了这一研究成果，同年被评选为世界十大科学进展，这也是“结构指导的疫苗设计”概念第一次走向实际应用[1]。

2014年王年爽从清华大学博士毕业，被这个理念深深吸引，他认为这项基础研究有应用到实际中的巨大潜力。同年，他加入了Jason实验室，成为实验室里唯一的博士后，也是唯一从事冠状病毒研究的人。而王年爽于2016年完成利用S-2P稳定S蛋白的设计，是 “结构指导的疫苗设计”概念在冠状病毒中的首次成功尝试。

当时王年爽没想到的是，这项让他欣喜不已的突破性研究成果并没有在学术界得到认可，甚至一度让他痛苦不堪。

03  遭遇5次拒稿

2014年王年爽刚开始做MERS病毒时，冠状病毒领域的研究进展远远落后于其他病毒。埃博拉、MERS、寨卡病毒等几起新发冠状病毒都没有在全球范围内流行，科学界认为流感、HIV这类病毒才是值得关注的“世界难题” [3]。

在2016年S-2P诞生之时，MERS的病例越来越少，对MERS等冠状病毒的研究变成科研界的冷门。加上“结构指导的疫苗设计”概念新颖，当时没有受到学术界的广泛认可，王年爽的投稿之路屡屡碰壁——研究成果被Science、Nature、Cell三大期刊一一拒绝。

王年爽认为自己的这项工作很有意义，不仅是“结构指导的疫苗设计”又一次突破性进展，而且S-2P中脯氨酸插入的位置在S蛋白中非常保守，这就意味着S-2P在多种冠状病毒中很可能都适用。这样一来，以后有其他新发冠状病毒流行时，疫苗的开发时间将大大缩短。

但王年爽迎接的现实却是一次又一次的拒稿，甚至一度让这位满腔热血投身科研的科学家怀疑自己的选择，最严重的时候要服用抗抑郁药。

不过，他始终没有放弃。有了SARS和MERS的前车之鉴，谁都不知道冠状病毒还会不会再次肆虐人间。王年爽投稿期刊的标准一降再降，最终经历了1年多的反复修改，在2017年的夏天被PNAS接收[2]。

得到文章接收消息的那一刻，王年爽只感觉到如释重负——这项工作终于可以暂时告一段落，终于不用再改文章了。

那句“是金子总会发光”的老话很快应验了。王年爽知道这项基础研究很有价值，但让他“做梦都不敢想”的是，S-2P在新冠疫情应对当中能发挥如此之大的作用。如他Twitter上所说的那样，这项工作没能发表在顶级期刊上，却写进了数十亿剂的疫苗里。

04  与机遇撞个满怀

据王年爽回忆，虽然文章在投稿时历尽坎坷，但这项技术发表之后，还是逐渐受到了领域内专家的认可。2018年，Cell、Annual Reviews等知名期刊发表的综述文章也对S-2P技术作出很高的评价。2017年左右，S-2P技术就受到了后来的mRNA“当红炸子鸡”Moderna的关注，也在很大程度上促成了Moderna以创纪录的速度开发出mRNA疫苗。

2019年底新冠疫情出现，王年爽没想到会演变成一次全球性的危机，他只知道又是一次新发冠状病毒流行。获知序列之后，他很快意识到，自己设计的S-2P应该能帮上忙。

与SARS和MERS类似，新冠病毒SARS-CoV-2的S蛋白也非常不稳定，极易变为免疫原性低的融合后构象，这样一来，疫苗诱发免疫应答的效率会大打折扣，而S-2P恰好可以解决这个问题。

在S蛋白方面经验丰富的王年爽开始夜以继日地工作，幸运的是，突变2个脯氨酸的方法在SARS-CoV-2的S蛋白上依然非常有效。他没有考虑太多，正如他一直所说的那样——“科学是世界的”，只要外界提出需要质粒和蛋白，他几乎有求必应，实验室缺人手，他就亲自去寄，期间总共向十几个国家寄出了100多份材料。

2020年12月，王年爽和他的团队在Science上首次发表了新冠病毒S蛋白的电镜结构，为全球抗击新冠疫情打下基础[4]。与之前屡遭拒稿的经历不同，这次从投稿到发表前后只花了9天时间。

接着，S-2P获得了学术界和产业界的普遍认可。稳定化的S-2P蛋白被广泛应用到新冠病毒检测、药物筛选和疫苗研发当中。“精明”如辉瑞、强生等制药巨头，在对比了几种甚至几十种S蛋白抗原方案后，最终决定使用S-2P方法来设计疫苗。S-2P被应用在了包含mRNA疫苗、腺病毒载体疫苗和重组蛋白疫苗等多种疫苗类型中。与此同时，S-2P还帮助筛选了全球超过半数的中和抗体候选药物，并帮助解析了绝大部分抗体复合物的结构。

灾难来临时，S-2P技术推动了整个科学界的快速应对，更是把 “结构指导的疫苗设计”概念真正推向了疫苗产品。王年爽博士在接受中国日报采访时说道，“疫情爆发的这一年仿佛做梦一样，一开始是做噩梦，但后面做了一个以前不敢做的梦——我的设计最终被用在了新冠疫苗中。”[5]

05  “做有实际价值的科研”

与王年爽刚进入冠状病毒领域时不同，疫情后的冠状病毒研究成为了新热门，S-2P技术也广为人知。他的S-2P历经波折发表在PNAS上，而随后用他的设计方案做出的成果却发在了更好的期刊上。王年爽对这件事很快释怀，他表示发文章并不是他做科研的初衷。

王年爽曾经说过，他自己理想的科研是做一些有实际价值的事情。他认为，不要为了发文章而去做研究，不要都去追赶主流方向。有些方向可能费时长一些，可能在很长一段时间里都不会被人关注，但是这种科研产出的成果不知道哪一天就会被应用到实际当中，产生的价值是不可想象的[5]。

王年爽博士用现在大火的mRNA举例，这项在十几二十年前没人关注的技术，因为很多科学家在黑暗中的默默坚守保留了火种，后来因为偶然间的几项突破把火种引燃，最终借助天时地利产生燎原之势。

mRNA新冠疫苗的成功离不开几项奠基性技术的发展，如mRNA的碱基修饰、递送技术和王年爽作出重要贡献的“结构指导的疫苗设计”方法，这几项突破性技术无一不是坐了多年“冷板凳”。匈牙利科学家Karikó Katali因在mRNA碱基修饰领域的突出贡献夺得今年的拉斯克临床医学研究奖，并被认为是未来诺贝尔奖的有力争夺者，而在此之前，Karikó默默付出了40年。(生物谷Bioon.com）