中科院高福院士课题组 2020 年发表了哪些重要的研究成果？
丁香学术
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高福院士 2020 年研究成果汇总！
高福，中国科学院微生物研究所病原微生物与免疫学重点实验室主任、中国科学院院士、美国科学院外籍院士、中国疾病预防控制中心主任、国家自然科学基金委员会副主任。
主要研究领域：囊膜病毒与结构免疫学，重点关注以流感、新冠为代表的新发、再发传染病，研究病毒宿主互作模式、跨种传播机制以及病毒特异性的 T 细胞免疫与分子识别等。
近年来在 Cell, Nature, Science, The Lancet, PNAS 等顶级期刊发表多篇论文。
2020 年，高福院士和他带领的团队，在传染病研究领域尤其是对新冠病毒的研究，获得了丰厚的研究成果。其带领团队先后研发出新冠病毒治疗性中和抗体和疫苗，在新冠病毒溯源、跨种传播机制方面也有着突出的研究成果。
图片来源：Web of Science
以下，小编选取了其中 10 项，介绍高福院士及其团队在 2020 年最有代表性的研究成果。
1、揭示 MERS-CoV 与 7 种蝙蝠 CD26 结合的分子基础
DOI: 10.1128/JVI.01387-19
自 2012 年鉴定出中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）以来，一直有感染人类的报道。MERS-CoV 在中东容易引起地方性疾病，并有数十起感染向其他大洲蔓延。据推测，MERS-CoV 源于蝙蝠冠状病毒，而单峰骆驼是其天然库。尽管从某些种类的蝙蝠中测序出与 MERS-CoV 相同的基因片段，但仍不清楚其他蝙蝠是否可以传播该病毒。
2020 年 2 月 14 日，高福院士联合王奇慧等在 Journal of Virology 发表文章：Molecular Basis of Binding between Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus and CD26 from Seven Bat Species。在这项研究中，研究人员发现不同物种的蝙蝠 CD26（bCD26s）表现出很大的多样性，尤其是在负责与中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）的受体结合域（RBD）结合的区域。但是，它们以不同的亲和力保持与 MERS-RBD 的相互作用，并支持假毒 MERS-CoV 的进入。
这些蝙蝠受体多态性似乎赋予适应 CD26 结合病毒（如 MERS-CoV 的祖先）的进化压力，并导致产生了多种与 CD26 结合的冠状病毒株。因此，研究数据增加了更多的证据来支持蝙蝠是 MERS-CoV 和类似病毒的库，并且进一步强调了调查蝙蝠中 MERS-CoV 和其他 CoV 的必要性。
图源：Journal of Virology
2、揭示了狂犬病毒股 PH 依赖的构象变化及其与中和抗体的相互作用
https://doi.org/10.1016/j.chom.2019.12.012
狂犬病致死性疾病的病原体狂犬病病毒（RABV）是一种致命的人畜共患病原体。RABV 糖蛋白（RABV-G）是介导病毒进入的关键因素，也是中和抗体的主要靶标。
2020 年 3 月 11 日，高福院士联合逯光文在 Cell Host & Microbe 发文：Structural Analysis of Rabies Virus Glycoprotein Reveals pH-Dependent Conformational Changes and Interactions with a Neutralizing Antibody。该研究报告了狂犬病毒 RABV-G 的晶体结构，分别在〜pH-8.0 时以游离形式和在〜pH-6.5 时与中和抗体 523-11 形成复合物。
RABV-G 具有三个结构域，碱性至酸性 pH 值变化会导致较大的结构域重新定向和伴随的结构域 - 接头重建，从而将其从弯曲的发夹构型转变为延伸的构型。在这种低 pH 诱导的结构转变过程中，发现位于域连接子中的残基在糖蛋白介导的膜融合中起重要作用。
最后，该抗体主要通过其重链与 RABV-G 相互作用，并与病毒蛋白中的二聚体构象表位结合以进行中和。这些结构为疫苗和药物设计提供了有价值的信息。
图源：Cell Host & Microbe
3、发现，PD-1、PD-L1 普遍在肿瘤细胞同时表达
https://doi.org/10.1073/pnas.1921445117
2020 年 3 月 24 日，高福院士联合高山等在 PNAS 发文：Tumor cell-intrinsic PD-1 receptor is a tumor suppressor and mediates resistance to PD-1 blockade therapy。研究显示 PD-1 在广泛的肿瘤细胞中表达。PD-1 或其配体 PD-L1 的沉默可促进体外细胞增殖和集落形成以及体内肿瘤生长。相反，PD-1 或 PD-L1 的过表达抑制肿瘤细胞增殖和集落形成。此外，靶向 PD-1 或 PD-L1 的封闭抗体会促进细胞培养和异种移植物中肿瘤的生长。
从机制上讲，PD-1 和 PD-L1 的协调激活了其主要的下游信号传导途径，包括 AKT 和 ERK1 / 2 途径，从而增强了肿瘤细胞的生长。这项研究表明，PD-1 / PD-L1 是潜在的肿瘤抑制因子，并且潜在地调节了对抗 PD-1 / PD-L1 治疗的反应，因此代表了最佳癌症免疫治疗方法的潜在生物标志物。
图源：PNAS
4、揭示沙粒病毒复制酶结构
DOI: 10.1038/s41586-020-2114-2
沙粒病毒（Arenavirus），因形似沙粒而得名，截至目前已发现 13 种，其中对人类致病的有 4 种。沙粒病毒由包膜和分节段的单链 RNA 组成，感染患者可能出现有发热、头痛、乏力、咽痛和肌痛。严重者有出血和休克，病死率为 15～25%。沙粒病毒的基因组复制是从头开始的，并涉及一个完整的 RNA（cRNA）中间产物，而人们对沙粒病毒复制过程的作用机制仍知之甚少。
2020 年 3 月 18 日，高福与施一联合在 Nature 杂志发文：Structural insight into arenavirus replication machinery。研究分别介绍了两种具有代表性的 马丘波马马雷纳病毒（MACV）和拉沙乳突病毒（LASV）的全长聚合酶的结构，并探讨了病毒复制的机制。
研究发现，与其他 sNSV 聚合酶相比，仅在 3’-vRNA 存在下的沙粒病毒的聚合酶的活性是非常独特的，尽管 5’-vRNA 结合亲和力较低，但在病毒复制的早期，它可能是一个复制酶的开关，并因此提出了一个新的机制。这些发现将有助于更好地理解 RNA 病毒的复制，并为抗病毒药物设计指明新的候选靶点。
图源：Nature
5、非洲猪瘟病毒 pA104R 与 DNA 结合的结构基础及其二苯乙烯衍生物的抑制作用
https://doi.org/10.1073/pnas.1922523117
非洲猪瘟病毒（ASFV）是一种具有高度传染性的核质大 DNA 病毒（NCLDV），可导致猪的死亡率接近 100％。因此迫切需要开发针对这种病毒的有效疫苗和药物。而 pA104 是一种源自 ASFV 的组蛋白样蛋白，与细菌 HU / IHF 家族成员共享序列和功能相似性，并且对于病毒复制至关重要。
2020 年 5 月 19 日，高福联合王寒在 PNAS 发文：The structural basis of African swine fever virus pA104R binding to DNA and its inhibition by stilbene derivatives。该研究解决了 pA104R 的 apo 态以及与 DNA 复合的晶体结构。
Apo-pA104R 形成同型二聚体并折叠成在细菌热不稳定的类核蛋白 / 整合宿主因子（HUs / IHFs）中保守的结构。然而，pA104R-DNA 复合物结构揭示了 pA104R 具有与其细菌同源物不同的 DNA 结合模式，也就是说，pA104R 的 β 色带臂通过接触大沟而不是小沟来稳定 DNA 结合。在 pA104R-DNA 复合物结构的晶体堆积中观察到 93.8° 的总 DNA 弯曲角，与 HU-DNA 复合物中的 DNA 弯曲角接近。已显示二苯乙烯衍生物 SD1 和 SD4 破坏 pA104R 与 DNA 之间的结合，并抑制原代猪肺泡巨噬细胞中 ASFV 的复制。
这些结果共同揭示了 pA104R 与 DNA 结合的结构基础，突显了 pA104R-DNA 相互作用在 ASFV 复制周期中的重要性，并为 ASFV 化疗提供了抑制剂。
图源：PNAS
6、揭示 A 族肠道病毒利用「一石二鸟」 受体 KRM1 入侵的分子机制
DOI: 10.1073/pnas.2005341117
KREMEN1（KRM1）是柯萨奇病毒 A10（CV-A10）的功能受体，而 CV-A10 是手足口病（HFMD）的病原体，对全球婴儿构成巨大威胁。但是，对于病毒进入过程的基本机制还没有很好的理解。2020 年 8 月 4 日，高福联合齐建勋等在 PNAS 发文：Molecular basis of Coxsackievirus A10 entry using the two-in-one attachment and uncoating receptor KRM1。
研究人员通过生化实验发现 CV-A10 的成熟病毒粒子与 KRM1 受体在中性（生理条件）及酸性（内吞体条件）环境下均可高效结合。随后利用冷冻电镜技术，解析了 CV-A10 病毒与 CV-A10/KRM1 复合物在中性和酸性 pH 条件下高分辨率电镜结构。揭示了 KRM1 与 CV-A10 病毒结合的分子模式，KRM1 同时与病毒表面 VP1，VP2，VP3 产生相互作用，横跨由 VP1 蛋白形成的 “峡谷” 样结构部位，其中 VP2 的 EF-loop（138-143 位氨基酸）可能作为受体识别的重要靶点。通过对 A 族肠道病毒衣壳蛋白的序列比对，提示依赖 KRM1 作为受体的 A 族肠道病毒可能拥有与受体结合的通用模式。
此外，系统的结构学研究显示，KRM1 的结合会诱导病毒粒子发生构象变化，使得峡谷内部维持病毒粒子稳定的脂类分子（又称「口袋因子」，pocket factor）释放，进而起始脱壳过程，并且酸性条件能显著促进这一过程。最后，进一步通过体外实验，模拟生理环境（37℃，晚期内吞体酸性 pH），证实 KRM1 能够在酸性条件下介导病毒完成脱衣壳。因此，KRM1 在 CV-A10 入侵过程中发挥了「一石二鸟」（two-in-one）的功能，同时介导病毒「粘附」及「脱衣壳」两个过程。
图源：PNAS
7、发现 SARS-CoV-2 的广泛宿主范围及与猫 ACE2 结合的分子基础
DOI: 10.1038/s41421-020-00210-9
据报道，严重急性呼吸系统综合症冠状病毒 2（SARS-CoV-2）是最近大流行的 COVID-19 的病原体，起源于蝙蝠，其中间宿主迄今未知。2020 年 9 月 29 日，高福联合王奇慧等在 Cell Discovery 发文：Broad host range of SARS-CoV-2 and the molecular basis for SARS-CoV-2 binding to cat ACE2。
在这里，研究人员筛选了人 ACE2（hACE2）的 26 种动物对应物，发现来自各种物种（包括宠物，家养动物和多种野生动物）的 ACE2 可以与 SARS-CoV-2 受体结合域（RBD）并促进 SARS-CoV-2 假病毒的转导。与 SARS-CoV-2 相比，SARS-CoV 似乎在选择受体方面有稍宽的范围。研究进一步以 3Å 分辨率解析了猫 ACE2（cACE2）与 SARS-CoV-2 RBD 的复合体的低温电子显微镜（cryo-EM）结构，揭示了与 hACE2 类似的结合模式与 SARS-CoV- 2 RBD。
这些结果为寻找 SARS-CoV-2 的中间宿主提供了亮点，并强调了监控易感宿主以防止进一步爆发的必要性。
图源：Cell Discovery
8、筛选出新冠病毒中和抗体
DOI: 10.1126/science.abc2241
2020 年 5 月 13，高福院士联合高峰在 Science 发文：A noncompeting pair of human neutralizing antibodies block COVID-19 virus binding to its receptor ACE2。该研究报告了从一个康复中的患者中分离出四种人源单克隆抗体，所有这些抗体均显示中和能力。抗体 B38 和 H4 阻断病毒的尖峰糖蛋白受体结合域（RBD）与细胞受体血管紧张素转化酶 2（ACE2）之间的结合。竞争分析表明这两种抗体在 RBD 上具有不同的表位，使其成为潜在有希望的靶向病毒的单克隆抗体对，从而避免了未来临床应用中的免疫逃逸。
此外，在小鼠模型中进行的一项治疗研究证实，这些抗体可以降低感染肺部的病毒滴度。RBD-B38 复杂结构表明，表位上的大多数残基与 RBD-ACE2 结合界面重叠，从而说明了阻断作用和中和能力。研究结果突出了基于抗体的疗法的前景，并为合理疫苗设计提供了结构基础。
图源：Science
9、Science 后再发 Nature！筛选出又一新冠病毒治疗性单克隆中和抗体
DOI: 10.1038/s41586-020-2381-y
继之前发表在 Science 上报道筛选出新冠病毒中和抗体后，2020 年 5 月 26 日，高福院士再次联合严景华等人在 Nature 发文：A human neutralizing antibody targets the receptor-binding site of SARS-CoV-2。
该研究报告了从 COVID-19 恢复期的患者中分离出两种特异性人单克隆抗体（称为 CA1 和 CB6）。CA1 和 CB6 在体外显示出有效的 SARS-CoV-2 特异性中和活性。另外，在预防和治疗实验中，CB6 保护了恒河猴中 SARS-CoV-2 的感染。
研究人员还进行了结构研究，结果表明 CB6 能够识别 SARS-CoV-2 受体结合域内与 ACE2 结合位点重叠的一个表位，从而通过空间位阻和直接竞争界面残基干扰病毒 - 受体的相互作用。结果表明，CB6 可作为临床转化的候选抗体值得进一步研究。
值得一提的是，目前该研究项目与君实公司合作，其单克隆抗体 CB6 正式产品名为 JS016，目前已进入临床三期试验，前期数据表明能够有效治疗新冠轻中症感染患者。
图源：中科院微生物研究所
10、设计通用策略研发新冠病毒重组蛋白疫苗
DOI: 10.1016/j.cell.2020.06.035
疫苗可以说是解决新冠病毒蔓延最好的方式，新冠肺炎疫请发生后各国科学家都在争分夺秒地研究新冠疫苗，中国的疫苗研发也是一直处于世界前列。2020 年 8 月 6 日，高福院士联合严景华等在 Cell 杂志发文：A Universal Design of Betacoronavirus Vaccines against COVID-19, MERS, and SARS。该研究首先设计了 MERS-CoV RBD 的二聚体形式。与传统的单体 RBD 形式相比，RBD - 二聚体显着提高了中和抗体（NAb）的效价，并保护了小鼠免受 MERS-CoV 感染。晶体结构显示 RBD - 二聚体完全暴露了双重受体结合基序，这是 NAbs 的主要靶标。结构指导的设计进一步产生了稳定的 RBD - 二聚体形式，即串联重复单链（RBD-sc - 二聚体），保留了疫苗效力。
研究人员推广了这种策略来设计针对 COVID-19 和 SARS 的疫苗，从而将 NAb 滴度提高了 10 到 100 倍。RBD-sc - 二聚体在中试规模生产中获得了高产量，为进一步的临床开发提供了支持。免疫原设计框架可以普遍应用于其他 β-CoV 疫苗，以应对新出现的威胁。
值得一提的是，目前该疫苗已与安徽智飞龙科马公司合作，成功进入了临床三期试验。
图源：Cell
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