MERS-CoV刺突蛋白N端结构域中和抗体作用机制研究

The Middle East respiratory syndrome coronavirus(MERS-CoV) is a highly pathogenic coronavirus,which has caused human infection in 27 countries, related a fatality rate of 35%. The infection of MERS-CoV is mediated by glycoprotein spike protein , consisted with S1 and S2 subunit. S1 including NTD and RBD which is responsible for receptor recognition, while S2 is in charge of membrane fusion. Most of the subunit antibodies reported so far were targeted to the MERS-RBD, MERS-NTD just be adjacent to RBD was also a potential targets for neutralizing antibodies. 5F9 targeting the MERS-NTD region can effectively neutralize the MERS pseudovirus and effectively protect mice in challenge experiments using MERS-CoV strain( hCoV-EMC 2012). We will study the function of MERS-NTD and check the interaction between CEACAM5 and MERS-NTD.The neutralizing antibody 5F9 targeted to NTD of spike protein, and we wander how it works. So the complex structure of the ectodomain structures of the MERS S-CoV / NTD with the Fab of 5F9 will be resolved. It will lay foundation for humanization of antibodies based on structure for human MERS-CoV vaccines.

MERS-CoV是一种高致病性冠状病毒，已在全球27个国家引起人类感染，死亡率达35％。MERS-CoV的感染由病毒囊膜表面糖蛋白S介导，S蛋白其由S1和S2组成，S1又分成NTD和RBD，S1负责受体识别，而S2负责膜融合。目前大部分亚单位疫苗都是针对RBD区域的，而与RBD结构相邻的NTD也具有成为中和抗体靶标的潜力。NTD特异性抗体5F9可以有效地中和MERS假病毒，并在攻毒（hCoV-EMC2012）实验中可有效保护小鼠。本项目我们将深入研究MERS-NTD的功能，检测CEACAM5和MERS-NTD的相互作用，研究MERS-NTD特异性抗体5F9的结构基础，解析MERS-CoV S的胞外域结构（或NTD）与5F9的Fab的复合物结构。为后期以结构为基础对抗体进行人源化改造获得可以用于人类MERS-CoV疫苗奠定基础。

MERS-CoV是一种高致病性冠状病毒，已在全球27个国家引起人类感染，截至2021年7月31日，MERS全球确诊人数达2578例，其中死亡888例，死亡率高达34.5％。MERS-CoV入侵过程是由病毒的刺突糖蛋白S介导，S蛋白由S1和S2组成，S1负责受体识别，S2负责膜融合，而S1又分成氮端结构域和受体结合域（RBD）。目前大部分研发的疫苗和抗体都是靶向刺突蛋白尤其是RBD区，而与RBD结构相邻的NTD也具有成为中和抗体靶标的潜力。NTD特异性抗体5F9可以有效中和MERS假病毒，并在攻毒（hCoV-EMC2012）实验中可有效保护小鼠免受病毒感染。 本项目开展了靶向MERS-CoV-NTD的中和抗体5F9作用机制的研究。首先，我们采用X射线晶体学方法解析了MERS-NTD-5F9 Fab复合物的晶体结构，清晰地鉴定了抗体的中和表位。然后，我们利用冷冻电镜技术解析了5F9-Fab与完整MERS-CoV-S蛋白三聚体结合的复合体结构，进一步确认了抗体与病毒刺突蛋白的相互作用模式。通过表面等离子共振（SPR）结合实验，我们发现MERS-NTD和抗体5F9的结合动力学呈现慢结合慢解离模式，而不同于靶向RBD和抗体4C2的快结合快解离模式。由于这两个抗体识别的表位位于不同结构域，体外结合实验显示二者可同时与S蛋白结合。因此，我们将5F9和4C2融合设计为双特异性抗体，并进行人源化改造。结果显示，改造后的抗体中和能力得到明显提升。这些工作为MERS-CoV的防控提供了重要技术储备，也为针对其他冠状病毒的抗体设计提供了一个新的思路。