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针对新冠病毒SARS-CoV-2/COVID-19,Nature期刊最新研究进展一览(第4期)

来源:本站原创 2020-09-28 07:28

2020年9月28日讯/生物谷BIOON/---自2019年12月8日以来,中国湖北省武汉市报告了几例病因不明的肺炎。大多数患者在当地的华南海鲜批发市场工作或附近居住。在这种肺炎的早期阶段,严重的急性呼吸道感染症状出现了,一些患者迅速发展为急性呼吸窘迫综合征 (acute respiratory distress syndrome, ARDS)、急性呼吸衰竭和其他的严重并发症。2020年1月7日,中国疾病预防控制中心(China CDC)从患者的咽拭子样本中鉴定出一种新型冠状病毒,最初被世界卫生组织(WHO)命名为2019-nCoV。大多数2019-nCoV肺炎患者的 症状较轻,预后良好。到目前为止,一些患者已经出现严重的肺炎,肺水肿,ARDS或多器官功能衰竭和死亡。
SARS-CoV-2(之前称为2019-nCoV)的透射电镜图,图片来自NIAID RML。

2020年2月11日,世卫组织将这种疾病病重命名为2019年冠状病毒病(COVID-19)。同一天,负责分类和命名病毒的的国际病毒分类学委员会的冠状病毒研究小组在bioRxiv上发表了一篇文章,指出该研究小组已经决定,新型冠状病毒2019-nCoV是导致2002-2003年爆发严 重急性呼吸综合征(SARS)冠状病毒(SARS-CoV)的变种。因此,将这种新病原体重新命名为严重急性呼吸综合征冠状病毒2号(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2),或SARS-CoV-2。值得注意的一点是,尽管国际病毒分类委员会冠状病毒研究小组将 病毒命名为SARS-CoV-2,但该研究小组主席John Ziebuhr认为这个名字(SARS-CoV-2)和SARS(严重急性呼吸综合征,也称非典型肺炎)没有关联。不过,这种病毒的重新命名引起了不少争议。据《科学》网站报道,世界卫生组织不满意SARS-CoV-2这个名字,而且不打 算采用此名称。

冠状病毒可引起多种动物的多系统感染。在此之前已有6种冠状病毒可以感染人类,它们主要引起人类的呼吸道感染:两种高度致命性的冠状病毒,即严重急性呼吸道综合征(SARS)冠状病毒(SARS-CoV)和中东呼吸综合征(MERS)冠状病毒(MERS-CoV);4种可导致温 和的上呼吸道疾病的冠状病毒,即HCoV-OC43、HCoV-229E、HCoV-NL63和HCoV-HKU1。

基于此次疫情给中国和全世界带来严重的危害,小编针对Nature期刊上发表的2019-nCoV/COVID-19研究进行一番梳理,以飨读者。

1.Nature:揭示SARS-CoV-2刺突蛋白结合人ACE2受体的结构机制
doi:10.1038/s41586-020-2772-0

在一项新的研究中,来自英国弗朗西斯-克里克研究所的研究人员发现位于SARS-CoV-2冠状病毒表面上的刺突蛋白(S蛋白)与人类病毒受体ACE2接触时,可以采取至少十种不同的结构状态。这种对感染机制的新见解为开发疫苗和治疗方法奠定基础。相关研究结果于2020年9月17日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Receptor binding and priming of the spike protein of SARS-CoV-2 for membrane fusion”。
图片来自The Francis Crick Institute。

在首次对ACE2与S蛋白之间的结合机制进行整体考察的研究中,这些研究人员,对S蛋白与受体结合和感染的不同阶段相关的10种不同结构进行了表征。他们首先孵育S蛋白和ACE2的混合物,然后通过在液态乙烷中快速冷冻,捕捉不同形式的S蛋白。他们使用低温电镜技术检查这些蛋白样品,获得了数万张不同结合阶段的高分辨率图像。他们观察到,S蛋白是以封闭和开放结构的混合物存在的。在ACE2结合一个开放位点后,S蛋白变得更加开放,导致一系列有利的构象变化,从而为进一步的结合做好准备。一旦S蛋白在所有三个结合位点上与ACE2结合,它的中央核心就会暴露出来,这可能有助于SARS-CoV-2与细胞膜融合,使得感染得以发生。

2.Nature:构建出SARS-CoV-2编码容量图谱
doi:10.1038/s41586-020-2739-1

为了了解SARS-CoV-2的致病性和抗原潜力,并开发治疗工具,有必要描述它表达的全部蛋白。SARS-CoV-2编码容量图谱目前是基于计算预测得出的,并依赖于与其他冠状病毒的同源性。鉴于冠状病毒在它们的蛋白排列中存在差异,特别是在各种辅助蛋白中,以一种无偏见和开放的方式确定SARS-CoV-2蛋白的特定集合是至关重要的。

在一项新的研究中,来自以色列魏茨曼科学研究所和以色列生物研究所的研究人员通过使用一套核糖体图谱分析(ribosome profiling)技术,构建出SARS-CoV-2编码区域的高分辨率图谱,这使得他们能够准确地定量确定典型的病毒开放阅读框(open reading frame, ORF)表达,并鉴定出23个未注释的病毒ORF。相关研究结果近期发表在Nature期刊上,论文标题为“The coding capacity of SARS-CoV-2”。

这些ORF包括可能起调控作用的上游ORF(upstream ORF, uORF);多个存在于现有ORF内的框内ORF,从而产生N-末端被截短的产物;产生新多肽的框外ORF。这些研究人员进一步发现,SARS-CoV-2 mRNA的翻译效率并不高于宿主mRNA,相反,由于这种病毒转录物水平较高,相比于宿主mRNA翻译,SARS-CoV-2 mRNA翻译占据主导地位。总之,这项研究提供了丰富的资源,这将成为未来功能研究的基础。

3.Nature:开发出一种适应小鼠的SARS-CoV-2模型,为测试一系列药物和疫苗奠定基础
doi:10.1038/s41586-020-2708-8


在一项新的研究中,来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校等研究机构的研究人员开发出的一种新的COVID-19小鼠模型重现了这种人类疾病的许多特征,并有助于推动COVID-19候选疫苗进入临床试验。相关研究结果于2020年8月27日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“A mouse-adapted model of SARS-CoV-2 to test COVID-19 countermeasures”。

人们急需能重现SARS-CoV-2感染的小型动物模型来快速评估医疗对策。这种由病毒学家Ralph Baric实验室开发的小鼠模型已经被用于加速“空间机战行动(Operation Warp Speed)”疫苗的开发,比如Moderna公司开发的COVID-19疫苗。这种小鼠模型有望对抗击COVID-19的抗病毒药物、疫苗和抗体的开发产生积极影响。

4.Nature:新研究指出,相比于男性,女性可能对新冠病毒产生更强劲的免疫反应
doi:10.1038/s41586-020-2700-3


从COVID-19流行病早期开始,人们就清楚地看到,男性,尤其是老年男性,死于新型冠状病毒SARS-CoV-2的风险远远高于年龄相仿的女性,但科学家们还无法确定具体原因。

在一项新的研究中,来自美国耶鲁大学等研究机构的研究人员探究了男性和女性对SARS-CoV-2感染作出的免疫反应,并针对为何男性更容易患重症COVID-19提出了新的见解。相关研究结果于2020年8月26日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Sex differences in immune responses that underlie COVID-19 disease outcomes”。
图片来自Pixabay/CC0 Public Domain。

论文通讯作者、耶鲁大学教授Akiko Iwasaki说,“我们发现,男性和女性确实会对COVID-19产生不同类型的免疫反应。这些差异可能导致男性疾病易感性增加。”

5.Nature全文编译!揭示新冠病毒刺突蛋白在完整病毒颗粒上的结构和分布
doi:10.1038/s41586-020-2665-2


包括SARS-CoV-2在内的冠状病毒的S蛋白融合前结构已通过可溶性的分泌形式的S蛋白异位表达,随后进行纯化和cryo-EM成像,得到了广泛研究。在S蛋白融合前结构中,受体结合结构域(RBD)位于融合核心(fusion core)上方的一个较宽的S三聚体刺突结构的顶部。在含有三个RBD的S三聚体中,每个RBD被一个显示出一定流动性的N端结构域(NTD)包围着。在封闭的融合前结构中,所有三个RBD平铺在刺突结构表面上,在很大程度上封闭了受体结合位点,而在开放的融合前结构中,一个或多个RBD向上抬起,从而暴露受体结合位点。S三聚体的表面发生广泛的糖基化,每个S蛋白单体有22个潜在的N-糖基化位点。在结合受体ACE2后,从融合前到融合后的结构转变让S蛋白的融合肽和跨膜结构域聚集在一个以三螺旋束为中心的长针状结构的一端。五个N连接的聚糖沿融合后的S三聚体刺突结构的长度间隔分布。

充分理解S蛋白如何发挥作用,以及它们如何与免疫系统相互作用,需要了解病毒颗粒内S三聚体的结构、构象和分布。在一项新的研究中,来自英国医学研究理事会分子生物学实验室和德国海德堡大学的研究人员利用cryo-EM方法研究了S三聚体在病毒颗粒表面上的结构、构象和分布。相关研究结果于2020年8月17日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Structures and distributions of SARS-CoV-2 spike proteins on intact virions”。

6.Nature:在1/2期临床试验中,辉瑞公司的新冠肺炎mRNA候选疫苗在人体中引发强效的免疫反应
doi:10.1038/s41586-020-2639-4


在一项新的研究中,来自美国辉瑞公司的研究人员报道,一种基于前沿RNA 基因技术的候选疫苗在一项早期临床试验中表现出强效抵抗新型冠状病毒SARS-CoV-2的迹象。这种称为BNT162b1的候选疫苗在参与者中引发了强烈的免疫反应,而且这种免疫反应随着剂量水平的增加而增加,此外注射第二剂也会增加这种免疫反应。相关研究结果于2020年8月12日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Phase 1/2 study of COVID-19 RNA vaccine BNT162b1 in adults”。

这项早期1/2期临床试验由制药巨头辉瑞公司的Judith Absalon博士领导。据她的团队介绍,BNT162b1基于信使RNA(mRNA),当人体遇到新型冠状病毒时,它有助于启动人体的免疫反应。

7.Nature:让新冠病毒刺突蛋白保持在融合前构象设计出新型mRNA疫苗
doi:10.1038/s41586-020-2622-0


在一项新的研究中,美国第一个进入人体试验的SARS-CoV-2实验性mRNA疫苗在一种经过精心改造的刺突蛋白的帮助下,已被证实能引起中和抗体和有益的T细胞反应。相关研究结果于2020年8月5日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“SARS-CoV-2 mRNA vaccine design enabled by prototype pathogen preparedness”。这种称为mRNA-1273的疫苗是由美国国家卫生研究院(NIH)和生物技术公司Moderna合作开发的。

这项关于这种近期进入III期人体临床试验的Moderna-NIH疫苗的最新研究描述了在小鼠体内的临床前研究结果和由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的一个研究团队对这种刺突蛋白进行的重要基因改造。这项研究的主要作者为NIH下属的美国国家过敏与传染病研究所(NIAID)疫苗研究中心的Barney Graham和Kizzmekia Corbett以及Moderna公司的Andrea Carfi 。

8.Nature:单剂Ad26.COV2.S疫苗让恒河猴强劲抵抗新冠病毒
doi:10.1038/s41586-020-2607-z


在一项新的研究中,由美国贝斯以色列女执事医学中心(BIDMC)免疫学家Dan H. Barouch博士领导的一组研究人员报告,BIDMC与强生公司合作开发的一种领先的COVID-19候选疫苗引发了中和抗体产生,并强有力地保护非人类灵长类动物免受SARS-CoV-2侵害。这项研究建立在该团队之前的成果基础上。相关研究结果于2020年7月30日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Single-shot Ad26 vaccine protects against SARS-CoV-2 in rhesus macaques”。
图片来自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.04.011。

这种疫苗使用一种称为腺病毒血清型26(Ad26)的普通感冒病毒,将SARS-CoV-2刺突蛋白送入宿主细胞,在那里它刺激人体提高对这种新型冠状病毒的免疫反应。自今年1月中国科学家发布SARS-CoV-2基因组以来,Barouch一直致力于COVID-19疫苗的研发。Barouch团队与强生公司合作,开发了一系列候选疫苗,旨在表达SARS-CoV-2刺突蛋白的不同变体,而刺突蛋白是中和抗体的主要靶标。

Barouch及其同事们在52只恒河猴中进行了研究:利用7种不同版本的基于Ad26的疫苗(下称Ad26疫苗)中的一种给32只成年恒河猴注射单剂,并给另外20只恒河猴提供假疫苗(sham vaccine)作为安慰剂对照。所有接种Ad26疫苗的恒河猴都产生了中和抗体。在接种6周后,所有恒河猴都暴露于SARS-CoV-2。所有接受假疫苗的20只恒河猴都被感染,并在它们的肺部和鼻拭子中显示出高水平的病毒。在接种Ad26疫苗中最佳候选疫苗Ad26.COV2.S的6只恒河猴中,没有一只恒河猴的肺部出现病毒,仅有一只恒河猴的鼻拭子中出现低水平的病毒。

9.Nature:新研究发现ChAdOx1 nCoV-19疫苗可防止恒河猴患上新冠肺炎
doi:10.1038/s41586-020-2608-y


在一项新的额研究中,来自美国国家过敏与传染病研究所和英国牛津大学等研究机构的研究人员发现编码SARS-CoV-2刺突蛋白的腺病毒载体候选疫苗ChAdOx1 nCoV-19在小鼠体内是免疫原性的,可引起强大的体液免疫反应和细胞介导的免疫反应。正如IgG抗体亚型和细胞因子表达分析所证实的那样,这些免疫反应主要是Th1细胞反应。相关研究结果于2020年7月30日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“ChAdOx1 nCoV-19 vaccine prevents SARS-CoV-2 pneumonia in rhesus macaques”。

这种候选疫苗是一种表达SARS-CoV-2刺突蛋白的黑猩猩腺病毒载体(ChAdOx1)疫苗。它采用感染黑猩猩的普通感冒病毒(腺病毒),对它进行毒性弱化使之不能引起人类的任何疾病,并对它进行基因改造使之编码人类SARS-CoV-2病毒刺突蛋白。这意味着当这种腺病毒进入接种疫苗的人的细胞时,它也会递送这种刺突蛋白的遗传密码。这将使得这些人的细胞产生刺突蛋白,并帮助教导免疫系统识别SARS-CoV-2病毒。

10.Nature:抑制木瓜样蛋白酶有望成为抗击新冠肺炎的新策略
doi:10.1038/s41586-020-2601-5


在感染SARS-CoV-2的情况下,这种病毒必须克服人体的各种防御机制,包括人体的非特异性或者说先天性的免疫防御。在这个过程中,被感染的人体细胞会释放出称为1型干扰素的信使分子。这些分子会招募自然杀伤细胞来杀死被感染的细胞。

SARS-CoV-2病毒之所以如此成功因而也非常危险的原因之一是它能抑制非特异性免疫反应。此外,它还能让人体细胞产生病毒蛋白:木瓜样蛋白酶(papain-like protease, PLpro)。PLpro有两种功能:它在新病毒颗粒的成熟和释放中起作用,它还能抑制1型干扰素的产生。在一项新的研究中,来自德国和荷兰的研究人员如今能够在细胞培养实验中监测这些过程。此外,如果他们阻断了PLpro,这种病毒的产生就会受到抑制,同时人体细胞的先天性免疫反应也会增强。相关研究结果于2020年7月29日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Papain-like protease regulates SARS-CoV-2 viral spread and innate immunity”。

论文通讯作者、法兰克福大学医院第二生物化学研究所所长Ivan Dikic教授解释说,“我们使用了PLpro的非共价抑制剂:GRL-0617化合物,并从生物化学、结构和功能方面非常仔细地研究了它的作用模式。我们得出结论,抑制PLpro是一个非常有希望的治疗COVID-19的双重打击策略。目前,进一步开发这类抑制PLpro的化合物用于临床试验是这一治疗方法面临的关键挑战。”

11.Nature论文详细解读!一些健康人体内竟存在着SARS-CoV-2反应性的T细胞
doi:10.1038/s41586-020-2598-9


在一项新的研究中,来自德国柏林夏里特医学院和马克斯普朗克分子遗传学研究所的研究人员发现一些健康的人具有能够识别新型冠状病毒SARS-CoV-2的免疫细胞。针对这一点的原因可能在于以前感染引发“普通感冒”的冠状病毒(下称普通感冒冠状病毒)。这种交叉反应是否对SARS-CoV-2感染者的临床过程有保护作用将由柏林夏里特医学院冠状病毒交叉研究(Charité Corona Cross Study)解答。相关研究结果于2020年7月29日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“SARS-CoV-2-reactive T cells in healthy donors and patients with COVID-19”。

为什么有些人在感染SARS-CoV-2后会出现严重的症状,而有些人却几乎没有察觉到这种感染?这个问题的答案是多层次的,是一个值得深入研究的课题。在这项新的研究中,这些作者如今鉴定出一个潜在的关键因素:之前接触过无害的普通感冒冠状病毒。这一见解是基于涉及辅助性T细胞(T-helper cell, Th)的研究,Th细胞是一种特定的白细胞,对调节我们的免疫反应至关重要。这些作者发现,在之前没有接触过SARS-CoV-2的人中,有三分之一的人仍然拥有能够识别这种病毒的Th细胞。针对这一点的原因可能是SARS-CoV-2与普通感冒冠状病毒在结构上有某些相似之处。

12.Nature:我国科学家发现新冠病毒S-RBD疫苗可诱导保护性免疫反应
doi:10.1038/s41586-020-2599-8


在一项新的研究中,来自中国四川大学、澳门科技大学和北京协和医学院等研究机构的研究人员构建出由S蛋白的受体结合结构域(RBD)氨基酸残基319-545组成的重组疫苗(S-RBD疫苗),并发现在小鼠、兔子和非人灵长类动物恒河猴体内进行这种重组疫苗单剂注射后7或14天内就诱导出有效的功能性抗体反应。相关研究结果于2020年7月29日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“A vaccine targeting the RBD of the S protein of SARS-CoV-2 induces protective immunity”。
图片来源:https://cn.bing.com。

来自这些疫苗接种的动物的血清能阻断RBD与细胞表面表达的ACE2之间的结合,并且在体外能中和SARS-CoV-2假病毒和SARS-CoV-2活病毒的感染。重要的是,在体内,接种这种重组疫苗还能保护非人灵长类动物免受SARS-CoV-2攻击。在COVID-19患者的血清中也发现了水平升高的RBD特异性抗体。几种免疫途径和CD4+ T细胞参与了这种重组疫苗诱导的抗体反应。这些发现凸显了RBD结构域在SARS-CoV-2疫苗设计中的重要性,并为开发诱导针对RBD结构域的抗体产生的保护性疫苗提供了理论基础。

13.Nature:揭示COVID-19炎症与C5a–C5aR1轴激活有关
doi:10.1038/s41586-020-2600-6


过敏毒素C5a及其受体C5aR1(CD88)通过招募和激活肺部中的中性粒细胞和单核细胞,在启动和维持几种炎症反应中发挥关键作用。在一项新的研究中,法国研究人员对免疫反应进行了纵向分析,包括免疫细胞表型分析和评估存在于患有不同严重程度---无症状、肺炎和急性呼吸窘迫综合征(ARDS)---的COVID-19的患者的支气管肺泡灌洗液和血液中的可溶性因子。相关研究结果于2020年7月29日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Association of COVID-19 inflammation with activation of the C5a–C5aR1 axis”。

这些研究人员报告了可溶性C5a水平的增加与COVID-19严重程度成正比,以及血液和肺骨髓细胞中C5aR1的高水平表达,这就支持C5a-C5aR1轴在ARDS的病理生理学中发挥着作用。抗C5aR1治疗性单克隆抗体(mAb)可防止C5a介导的人骨髓细胞招募和活化,并抑制人C5aR1基因敲入小鼠的急性肺损伤(acute lung injury, ALI)。这些结果表明对C5a-C5aR1轴进行阻断可能作为限制骨髓细胞在受损器官中浸润的一种手段,并防止COVID-19患者出现与ARDS相关的过度肺部炎症和内皮炎(endothelialitis)。(生物谷 Bioon.com)

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