于晓波/李永哲合作团队研发出可实现氨基酸水平血清抗体全景式扫描的SARS-COV-2蛋白质组芯片

截至3月31日，新型冠状病毒SARS-CoV-2已经蔓延到全球超过200个国家或地区，累计国外报告确诊病例超过72万，累计死亡超过3.5万人例。因此，攻克新冠肺炎，开发快速诊断试剂和抗病毒特效药物刻不容缓！然而人类对SARS-CoV-2这一新出现的病毒还不十分了解，使得新冠肺炎的及时控制、早期检测和治疗具有巨大的挑战。

新冠病毒感染人体后会迅速被人体免疫系统识别，产生大量的抗体，并在一段时间内维持比较高的水平。对于一些恢复期病人体内还可产生中和性抗体，成功鉴定中和性抗体可以阻断病毒与靶细胞受体，防止侵入细胞，达到治疗的目的。全面检测新冠肺炎病毒感染患者在不同严重程度和治疗前后血液中抗体水平变化规律，鉴定用于新冠肺炎早期检测、鉴别诊断和用于治疗康复指导的抗体标志物分子，进而开发出快速诊断试剂和有望用于临床治疗的抗体药物对于长期新冠病毒的防控和治疗都具有非常重要的意义。

2020年3月28日，国家蛋白质科学中心-北京（凤凰中心）于晓波研究员团队联合北京协和医院李永哲教授、首都医科大学附属北京朝阳医院郭树彬教授组建攻关团队在预印版平台bioRxiv上发表文章SARS-CoV-2 proteome microarray for mapping COVID-19 antibody interactions at amino acid resolution，设计和开发出了SARS-CoV-2病毒蛋白质组多肽芯片。该芯片包含966个多肽和纯化的N、S和E蛋白探针，只需要1.5个小时就可实现对新冠病人血清血浆中结合到SARS-CoV-2病毒蛋白氨基酸序列的抗体进行全景式的扫描。SARS-CoV-2病毒蛋白质组芯片具有高度的灵敏度（94pg/mL）、重复性（r=0.99）、良好的动力学范围（~2个数量级）和高度的重复性（r相关性系数>0.99），可广泛用于新冠病毒抗体的大规模检测，免疫反应动态监测，抗体试剂和药物的表位分析，发现诊断标志物抗体和治疗性抗体等（图1）。（注：上海交大陶生策团队差不多在同一时期在预印本发布了新冠病毒蛋白芯片，详见此前的报道：陶生策团队开发SARS-CoV-2蛋白质芯片并用于新冠病人血清IgG/ IgM分析 ）

图1 SARS-COV-2蛋白质组学芯片的制备和应用示意图。

采用该芯片，他们首先评价了SARS病毒蛋白抗体的特异性和交叉反应，鉴定了抗体的识别氨基酸表位。证明市场上的SARS病毒的抗体试剂对于新冠病毒蛋白具有较高的特异性，经过SARS-COV-2芯片评价后可用于新冠病毒蛋白检测试剂的开发（图2）。

图2 SARS-COV-2蛋白质组芯片评价SARS抗体试剂。

其次，他们筛选了10例新冠肺炎轻症病人血清，构建了新冠肺炎病人血清中新冠病毒蛋白抗体的全景式图谱（图3）。结果表明宿主感染新冠病毒后可以对大部分病毒蛋白产生抗体，尤其是具有诊断和治疗价值N和S蛋白，可以通过芯片结果描绘出这些蛋白的抗体结合氨基酸表位。进一步结构分析发现N蛋白的RNA结合域的表位分布在Loop区，而S蛋白的表位分布在表面和内部，该数据为进一步设计诊断试剂探针和疫苗开发提供了潜在的靶点（图4）。

图3 人体抗体免疫反应对于SARS-COV-2蛋白质组的全景式分析。（a）和（b）分别为人IgM和IgG的抗体抗体免疫反应图谱。

图4 结构分析N蛋白和S蛋白的抗体表位分布。

最后，他们从三名新冠肺炎病人血清中发现了潜在的IgM和IgG中和性抗体（图5a）。该抗体可结合到新冠病毒S1蛋白-宿主ACE2受体的相互作用界面，经鉴定该抗体表位为456-FRKSN-460（图5b-c），说明一部分人在感染新冠病毒后会产生阻断新冠病毒入侵的中和性抗体，进而达到自愈的目的。

图5 SARS-COV-2蛋白质组芯片鉴定潜在的中和性抗体。（a）为SARS-COV-2 刺突蛋白受体结合结构域的抗体免疫反应。（b）鉴定抗体结合表位。（c）结构分析抗体结合到SARS-COV-2 S1RBD-ACE2复合体的位置。

原文链接：

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.03.26.994756v1.full.pdf