来源：生命科学前沿
“轻轻地我来了，日后我轻轻地再来；我轻轻地印迹，不带来一丝回忆”。这是病毒进化的最高级方式，实现与宿主长期共存。自2019年末新冠病毒爆发以来，SARS-CoV-2因其高度遗传变异性和快速适应能力在全球范围内迅速传播。四年以来，多种具有更强适应性和免疫逃逸能力的变体层出不穷。科学家们不懈地监测和研究这些变体，以揭示其传播特点和生物学特性。在这一过程中，Spike蛋白作为SARS-CoV-2进入宿主细胞的关键，因其上的多种突变而备受关注。糖基化是Spike蛋白上的一种重要后翻译修饰，一些研究显示这种修饰与病毒的传染性和免疫逃逸能力相关。例如HCoV-OC43，229E这种季节性人类冠状病毒，通常引起轻度呼吸道感染（如普通感冒），其Spike蛋白上拥有较SARS、SARS-CoV-2更多的糖基化位点，帮助病毒逃避免疫系统识别，并在感染细胞时发挥重要作用。近期，BA.2.86和JN.1等SARS-CoV-2新变体在Spike蛋白受体结合域内发现了额外的N354糖基化修饰。该变化可能会影响病毒与宿主的相互作用及其全球传播。因此，深入理解Spike蛋白N354糖基化变异对病毒生物学特性及其进化的影响至关重要。
2024年6月14日，中国科学院生物物理研究所王祥喜研究员与北京大学生物医学前沿创新中心的曹云龙研究员、剑桥大学治疗免疫学与感染病研究所的Ravindra Kumar Gupta教授及北京市昌平实验室的王佑春教授合作，在《National Science Review》杂志上发表了一篇题为“Spike N354 glycosylation augments SARS-CoV-2 fitness for human adaptation through structural plasticity”的研究论文。该研究揭示了新冠病毒（SARS-CoV-2）通过增加糖基化修饰，特别是Spike蛋白上的N354糖基化，显著增强了病毒对人类宿主的适应性。这种糖基化修饰通过改变共受体（haparan sulfate）的使用效率，赋予其可调控的感染能力：在下呼吸道细胞复制能力有所减弱，但感染上呼吸道细胞能力增强；糖基化修饰进一步遮蔽关键抗原表位，不仅提升病毒免疫逃逸能力，更关键的是降低病毒的免疫原性、削弱对宿主的免疫印迹，有利于病毒未来再感染。通过这些适应性变化，新冠病毒可能逐渐演变为一种类似普通感冒的病毒，症状较轻且传播速度更快，逐步达到“轻轻地我来了，日后我轻轻地再来；我轻轻地印迹，不带来一丝回忆”目的，从而实现与人类长期共存。然而，从疫苗研发的角度要反其道而行之，去掉N354糖基化，提高疫苗的免疫原性、增强对宿主的免疫记忆，实现对病毒快速响应和免疫应答。
本研究表明，N354糖基化通过改变Spike蛋白的受体结合域（RBD）构象状态，降低病毒感染性，从而调整病毒在宿主中的适应性。RBD在SARS-CoV-2感染过程中能够在“up”状态和“down”状态之间切换，前者允许病毒与宿主细胞受体ACE2结合，后者则减少这种结合以逃避宿主免疫系统的监视。N354糖基化在BA.2.86亚系中促进了RBD的“down”状态，使病毒在与宿主细胞受体结合时更加隐蔽，降低了被宿主免疫系统识别和攻击的风险。
多种细胞系中的假病毒实验显示，带有N354糖基化的BA.2.86感染效率显著低于不带该糖基化的对照组，但在存在硫酸乙酰肝素（HS）时，感染性可以恢复，促进RBD处于“up”状态，增强病毒的传染能力。此外，越来越多的证据支持阴离子糖基，如硫酸乙酰肝素（HS）作为SARS-CoV-2进入细胞的辅助因子，而且在鼻上皮细胞和上呼吸道细胞中比在肺中更为丰富。最近的一些实验更是发现，BA.2.86病毒株在鼻上皮细胞中展现出了强大的感染能力。这一发现强烈暗示SARS-CoV-2正逐渐趋向于像HCoV-OC43那样，主要感染上呼吸道，预示着新冠病毒可能正逐步演变为一种类似于普通感冒的疾病。
研究还进一步揭示，N354糖基化提高了SARS-CoV-2刺突蛋白的裂解效率和细胞融合能力。Spike蛋白的裂解是病毒进入宿主细胞的关键步骤之一，依赖于S1和S2之间的多碱基切割位点（PBCS）的弗林蛋白酶切割是调节病毒感染性和融合活性的关键步骤。实验显示，带有N354糖基化的BA.2.86变种在细胞中的裂解效率明显高于N354糖基化丧失的对照组。此外，N354糖基化还显著增强了病毒的细胞-细胞融合能力。多种实验方法和数据分析技术显示，N354糖基化在不同变种中的作用相似，均显著提高了S蛋白的裂解效率和细胞-细胞融合能力。
N354糖基化在免疫逃逸中也同样扮演着重要角色。研究表明，携带N354糖基化的病毒株可以逃避一类特定的抗体依赖性细胞介导的细胞毒性（ADCC）抗体的结合，使病毒逃避这种免疫清除机制。研究通过深度突变扫描技术（DMS）鉴定了3051种抗体，发现N354糖基化能够显著降低某些ADCC抗体的中和活性。进一步的结构分析揭示，N354糖基化改变了ADCC抗体识别位点的空间结构，使抗体无法有效结合，从而提高病毒在宿主体内的存活能力。
研究人员还通过小鼠模型评估了N354糖基化显著降低了刺突蛋白的免疫原性，减少了抗体的产生。无论是从单一免疫背景还是模拟现实世界免疫背景的小鼠实验都发现，N354糖基化会显著降低病毒的免疫原性，这表明其通过减少免疫系统识别来增强病毒的免疫逃逸能力。这对于理解SARS-CoV-2在免疫压力下的进化和传播具有重要意义。通过降低免疫原性，N354糖基化使病毒能够在宿主体内存活更久，增加了其传播的机会。
原文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae206
作者和课题组简介：
中国科学院生物物理研究所的博士生刘攀、特别研究助理岳灿、剑桥大学助理研究员孟波、昌平实验室博士生肖天贺、杨斯捷、刘硕为论文共同第一作者，中国科学院生物物理研究所王祥喜研究员、北京大学生物医学前沿创新中心曹云龙研究员、剑桥大学治疗免疫学与感染病研究所Ravindra Kumar Gupta教授以及昌平实验室的王佑春教授为论文的共同通讯作者。
