研究揭示靶向NS1的黄病毒广谱保护性抗体作用机制

　　2021年1月8日，中国科学院院士、中科院微生物研究所/中科院北京生命科学研究院研究员高福研究组，微生物所研究员施一研究组与澳大利亚昆士兰大学教授Paul R. Young、博士Daniel Watterson研究组合作，在Science发表了题为A broadly protective antibody that targets the flavivirus NS1 protein的研究论文，发现了一株对多种黄病毒都有保护效果的单克隆抗体1G5.3，并首次揭示了NS1广谱保护性抗体的作用机制，指出黄病毒非结构蛋白NS1可以作为通用疫苗设计的新靶点，有效避免ADE效应。

　　黄病毒是一类主要通过蚊媒传播的病毒，包括有登革病毒（DENV）、西尼罗病毒（WNV）及寨卡病毒（ZIKV）等，在热带、亚热带地区流行，危害大。目前，针对大多数黄病毒，未有有效的抗病毒药物和疫苗。开发广谱保护性疗法和疫苗成为黄病毒防控领域的关键且未实现的目标。之前的黄病毒治疗靶标和疫苗设计主要聚焦在病毒囊膜表面的E蛋白，高福团队于2016年解析了靶向E蛋白且能交叉保护寨卡病毒的单克隆抗体2A10G6的作用机制，并从中国寨卡康复病人体内鉴定出高效、特异的靶向寨卡病毒E蛋白的单克隆抗体。然而，E蛋白诱导的抗体保护范围有限，更重要的是，登革病毒感染以及疫苗研发过程中，发现E蛋白免疫会诱导产生有交叉反应性而中和能力差的抗体，当机体感染不同类型登革病毒时，这些抗体会产生抗体依赖增强（ADE）效应，反而会导致更加严重的感染。这对开发安全有效的广谱疫苗造成了挑战。

　　寨卡病毒等黄病毒共编码10种蛋白，其中非结构蛋白NS1是病毒唯一分泌并与宿主相互作用的重要蛋白，在病毒复制、致病及免疫逃逸中起关键作用。NS1在细胞内形成同源二聚体，与胞内膜系统的脂类结合，参与病毒复制，同时NS1还可形成由3个二聚体组成的同源六聚体，以可溶性形式分泌于胞外，与宿主免疫系统及其他宿主因子相互作用，帮助病毒免疫逃逸以及加强致病性。2016年至2017年，高福和施一研究团队解析了寨卡病毒NS1的C端分子结构，揭示了不同黄病毒NS1存在不同的表面电荷分布，随后解析了寨卡病毒NS1全长蛋白的二聚体结构，发现了NS1膜结合的关键区域，从结构上对NS1有了更深入的认识。2015年，Paul R. Young研究组发现DENV NS1是DENV的关键致病因子，可通过激活TLR4通路破坏血管内皮细胞层的完整性，或与登革患者的血管渗漏症状有关。NS1由感染细胞分泌，并在感染患者的血液中大量存在，因此靶向NS1的抗体可以通过抑制NS1的功能起到抗病毒的效果。以往研究发现，在多种黄病毒感染模型中，接种了NS1疫苗的小鼠可以免受病毒的致命攻击。NS1蛋白与E蛋白不同，不位于病毒表面，因此NS1抗体带来的ADE风险很低。尽管这些特征表明NS1是很有希望的疫苗和治疗性抗体靶点，但广谱性NS1抗体介导保护的范围和作用机制仍不清楚。

　　在这些研究基础上，研究人员希望能找到靶向NS1的广谱干预手段，从而达到广谱抗多种黄病毒的目标。研究筛选到一株单克隆抗体1G5.3，发现其对DENV及ZIKV的NS1都有结合。通过结构生物学手段，分别解析了1G5.3跟DENV-2及ZIKV NS1的复合物结构，发现其结合在NS1 C端 β梯形结构域的顶端，因此既能结合NS1二聚体，也能结合分泌到细胞外的NS1六聚体（图1）。

图1.抗体1G5.3与DENV-2及ZIKV NS1的复合物结构

　　进一步研究发现，1G5.3对不同黄病毒如WNV、日本脑炎病毒（JEV）、黄热病毒（YFV）及存在潜在威胁的Usutu病毒（USUV）等的NS1均有结合，结合表位非常保守（图2）。

图2.抗体1G5.3结合在不同黄病毒NS1 C端的保守区域

　　在多种细胞模型上发现抗体1G5.3可抑制多种黄病毒NS1诱导的内皮细胞层通透，而在小鼠模型上，证明抗体1G5.3可有效降低病毒滴度及血清中的NS1含量，有效抑制DENV感染诱导的系统性血管渗漏，且该阻断机制不依赖于Fc介导的效应功能。

图3.抗体1G5.3可抑制多种黄病毒NS1诱导的内皮细胞通透及血管渗漏

　　该抗体在动物保护实验上也展示出较好的治疗效果，对DENV、ZIKV及WNV感染均有较好的治疗效果（图4），可降低病毒血症水平，并显著提高存活率。其治疗效果，与已报道的靶向E蛋白的一株DENV特异性抗体4E11在DENV感染模型上效果相当，但其广谱性远优于目前靶向E蛋白的抗体。

图4.抗体1G5.3对DENV、ZIKV、WNV感染都有治疗效果

　　该研究首次对广谱保护性NS1单克隆抗体进行了结构表征，揭示了交叉保护的分子基础以及保护性抗体的作用机制，为黄病毒通用疫苗的设计提供了新思路。

　　澳大利亚昆士兰大学博士Naphak Modhiran、北京生科院副研究员宋豪为论文的并列第一作者，高福、施一、Paul R. Young、Daniel Watterson为论文的共同通讯作者。研究工作得到中科院战略性先导科技专项、国家科技重大专项、国家自然科学基金等的支持，并得到微生物所研究员齐建勋的支持。

　　Science同期背靠背发表了美国加利福尼亚大学博士Eva Harris和美国密歇根大学安娜堡分校博士Janet Smith课题组的题为Structural basis for antibody inhibition of flavivirus NS1–triggered endothelial dysfunction的研究论文，通过与DENV-1和DENV-2血清型NS1蛋白的共结晶揭示了保护性抗体2B7的结合位点。与1G5类似，2B7也识别NS1 C端β-梯型结构域的一个保守表位，也具有广谱结合多种黄病毒NS1蛋白的能力，并可消除体内血管渗漏，显著降低DENV致死感染小鼠的死亡率。

　　这两篇背靠背文章的发表，首次揭示了靶向NS1蛋白的广谱治疗性抗体的作用机制，为此类广谱治疗性抗体的应用开辟了道路，也为黄病毒通用疫苗的开发提供了新方向。