研究揭示靶向NS1的黃病毒廣譜保護性抗體作用機制

　　2021年1月8日，中國科學院院士、中科院微生物研究所/中科院北京生命科學研究院研究員高福研究組，微生物所研究員施一研究組與澳大利亞昆士蘭大學教授Paul R. Young、博士Daniel Watterson研究組合作，在Science發表了題為A broadly protective antibody that targets the flavivirus NS1 protein的研究論文，發現了一株對多種黃病毒都有保護效果的單克隆抗體1G5.3，并首次揭示了NS1廣譜保護性抗體的作用機制，指出黃病毒非結構蛋白NS1可以作為通用疫苗設計的新靶點，有效避免ADE效應。

　　黃病毒是一類主要通過蚊媒傳播的病毒，包括有登革病毒（DENV）、西尼羅病毒（WNV）及寨卡病毒（ZIKV）等，在熱帶、亞熱帶地區流行，危害大。目前，針對大多數黃病毒，未有有效的抗病毒藥物和疫苗。開發廣譜保護性療法和疫苗成為黃病毒防控領域的關鍵且未實現的目標。之前的黃病毒治療靶標和疫苗設計主要聚焦在病毒囊膜表面的E蛋白，高福團隊于2016年解析了靶向E蛋白且能交叉保護寨卡病毒的單克隆抗體2A10G6的作用機制，并從中國寨卡康復病人體內鑒定出高效、特異的靶向寨卡病毒E蛋白的單克隆抗體。然而，E蛋白誘導的抗體保護范圍有限，更重要的是，登革病毒感染以及疫苗研發過程中，發現E蛋白免疫會誘導產生有交叉反應性而中和能力差的抗體，當機體感染不同類型登革病毒時，這些抗體會產生抗體依賴增強（ADE）效應，反而會導致更加嚴重的感染。這對開發安全有效的廣譜疫苗造成了挑戰。

　　寨卡病毒等黃病毒共編碼10種蛋白，其中非結構蛋白NS1是病毒唯一分泌并與宿主相互作用的重要蛋白，在病毒復制、致病及免疫逃逸中起關鍵作用。NS1在細胞內形成同源二聚體，與胞內膜系統的脂類結合，參與病毒復制，同時NS1還可形成由3個二聚體組成的同源六聚體，以可溶性形式分泌于胞外，與宿主免疫系統及其他宿主因子相互作用，幫助病毒免疫逃逸以及加強致病性。2016年至2017年，高福和施一研究團隊解析了寨卡病毒NS1的C端分子結構，揭示了不同黃病毒NS1存在不同的表面電荷分布，隨后解析了寨卡病毒NS1全長蛋白的二聚體結構，發現了NS1膜結合的關鍵區域，從結構上對NS1有了更深入的認識。2015年，Paul R. Young研究組發現DENV NS1是DENV的關鍵致病因子，可通過激活TLR4通路破壞血管內皮細胞層的完整性，或與登革患者的血管滲漏癥狀有關。NS1由感染細胞分泌，并在感染患者的血液中大量存在，因此靶向NS1的抗體可以通過抑制NS1的功能起到抗病毒的效果。以往研究發現，在多種黃病毒感染模型中，接種了NS1疫苗的小鼠可以免受病毒的致命攻擊。NS1蛋白與E蛋白不同，不位于病毒表面，因此NS1抗體帶來的ADE風險很低。盡管這些特征表明NS1是很有希望的疫苗和治療性抗體靶點，但廣譜性NS1抗體介導保護的范圍和作用機制仍不清楚。

　　在這些研究基礎上，研究人員希望能找到靶向NS1的廣譜干預手段，從而達到廣譜抗多種黃病毒的目標。研究篩選到一株單克隆抗體1G5.3，發現其對DENV及ZIKV的NS1都有結合。通過結構生物學手段，分別解析了1G5.3跟DENV-2及ZIKV NS1的復合物結構，發現其結合在NS1 C端 β梯形結構域的頂端，因此既能結合NS1二聚體，也能結合分泌到細胞外的NS1六聚體（圖1）。

圖1.抗體1G5.3與DENV-2及ZIKV NS1的復合物結構

　　進一步研究發現，1G5.3對不同黃病毒如WNV、日本腦炎病毒（JEV）、黃熱病毒（YFV）及存在潛在威脅的Usutu病毒（USUV）等的NS1均有結合，結合表位非常保守（圖2）。

圖2.抗體1G5.3結合在不同黃病毒NS1 C端的保守區域

　　在多種細胞模型上發現抗體1G5.3可抑制多種黃病毒NS1誘導的內皮細胞層通透，而在小鼠模型上，證明抗體1G5.3可有效降低病毒滴度及血清中的NS1含量，有效抑制DENV感染誘導的系統性血管滲漏，且該阻斷機制不依賴于Fc介導的效應功能。

圖3.抗體1G5.3可抑制多種黃病毒NS1誘導的內皮細胞通透及血管滲漏

　　該抗體在動物保護實驗上也展示出較好的治療效果，對DENV、ZIKV及WNV感染均有較好的治療效果（圖4），可降低病毒血癥水平，并顯著提高存活率。其治療效果，與已報道的靶向E蛋白的一株DENV特異性抗體4E11在DENV感染模型上效果相當，但其廣譜性遠優于目前靶向E蛋白的抗體。

圖4.抗體1G5.3對DENV、ZIKV、WNV感染都有治療效果

　　該研究首次對廣譜保護性NS1單克隆抗體進行了結構表征，揭示了交叉保護的分子基礎以及保護性抗體的作用機制，為黃病毒通用疫苗的設計提供了新思路。

　　澳大利亞昆士蘭大學博士Naphak Modhiran、北京生科院副研究員宋豪為論文的并列第一作者，高福、施一、Paul R. Young、Daniel Watterson為論文的共同通訊作者。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項、國家科技重大專項、國家自然科學基金等的支持，并得到微生物所研究員齊建勛的支持。

　　Science同期背靠背發表了美國加利福尼亞大學博士Eva Harris和美國密歇根大學安娜堡分校博士Janet Smith課題組的題為Structural basis for antibody inhibition of flavivirus NS1–triggered endothelial dysfunction的研究論文，通過與DENV-1和DENV-2血清型NS1蛋白的共結晶揭示了保護性抗體2B7的結合位點。與1G5類似，2B7也識別NS1 C端β-梯型結構域的一個保守表位，也具有廣譜結合多種黃病毒NS1蛋白的能力，并可消除體內血管滲漏，顯著降低DENV致死感染小鼠的死亡率。

　　這兩篇背靠背文章的發表，首次揭示了靶向NS1蛋白的廣譜治療性抗體的作用機制，為此類廣譜治療性抗體的應用開辟了道路，也為黃病毒通用疫苗的開發提供了新方向。