Omicron變異株研究進展

陳曜星 賴榮陶 謝青

Omicron變異株在南非衛(wèi)生部長正式向世界衛(wèi)生組織報告后，僅2天就被列為VOC。人們做出如此迅速的反應，是因為Omicron在刺突蛋白等關鍵位點產生了大量突變。而刺突蛋白又介導了病毒感染細胞的過程，也是體液免疫的主要靶標[1]。突變后的Omicron變異株具有高度傳染性，截至2021年12月22日，已有110個國家發(fā)現(xiàn)了Omicron變異株。此外，Omicron對既往感染或接種疫苗所誘導產生的中和抗體(Neutralizing antibodies, NAbs)敏感性大幅下降[2]。而與先前的VOCs相比，Omicron感染的臨床癥狀有所減輕[3]。Omicron目前已演變出多個亞譜系，其中BA.1(21K進化枝)和BA.2(21L進化枝)是目前主要流行的兩種。SARS-CoV-2流行以來已經造成了數(shù)百萬人的死亡，人們目前對Omicron仍知之甚少。因此，研究Omicron變異株的突變及其特性對于更好地應對新冠疫情至關重要。

一、Omicron變異株的獨立進化

Omicron的大多數(shù)突變是非同義突變，與氨基酸改變相關，因此是病毒進化正向選擇的結果。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，Omicron是通過趨同進化獨立進化而來(圖1)，但SARS-CoV-2逐步累積突變以適應人類宿主似乎更合理。這就產生了一個問題，即Omicron如何在不被注意的情況下獨立進化。目前，研究者提出了三種理論來解釋這一現(xiàn)象。第一種理論是新冠病毒在免疫功能低下的個體中長期有效復制。研究者發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV-2在一個南非HIV感染者體內復制超過了6個月，并形成了類似于VOCs的突變[4]。第二種理論是，Omicron已經在人群中傳播了一段時間，但出現(xiàn)在對病毒測序監(jiān)測較少的國家。第三種理論是，動物被SARS-CoV-2感染后形成了病毒的儲存庫，病毒在動物中變異進化后再傳染給人[5]。目前，這些可能性都不能完全排除，需要進一步研究來闡明Omicron的起源。

SARS-CoV-2代表性變異株的系統(tǒng)發(fā)育分析，進化枝長度與原始病毒株對比的差異成正比。2022年4月15日從Nextstrain獲取數(shù)據(jù)(https://nextstrain.org/ncov/gisaid/global?m=div)。

二、Omicron變異株的基因組改變

(一)Omicron基因組中非刺突蛋白的突變 Omicron基因組中共有約20個氨基酸突變位于刺突蛋白基因之外(圖2)。2/3的SARS-CoV-2基因組編碼16種非結構蛋白，這些非結構蛋白發(fā)揮著天然免疫逃逸、病毒復制、蛋白水解和基因復制校對等重要作用。Omicron的Nsp6中Δ105-107突變可能會促進病毒的天然免疫逃逸[6]。Nsp3、Nsp5兩種重要蛋白酶中的突變沒有影響活性界面。Nsp7、Nsp8和Nsp12組成了RNA依賴性的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase, RdRp)[7]，僅有P323L一個突變。

SARS-CoV-2基因組的3'末端還編碼包膜(Envelope, E)、膜(Membrane, M)和核衣殼(Nucleocapsid, N)蛋白，以及多種輔因子。這3種非刺突結構蛋白中都發(fā)現(xiàn)了突變。N蛋白中的P13位于一個重要的T細胞表位中，突變可能有助于病毒逃逸細胞免疫[8]。R203K和G204R的突變或與病毒載量和亞基因組RNA表達增高有關[9]。目前E蛋白和M蛋白中的突變對其功能的影響尚不清楚。

(二)Omicron基因組中刺突蛋白的突變 與原始毒株相比，BA.1和BA.2的刺突蛋白有21個相同的氨基酸改變，BA.1和BA.2還分別有13個和8個特異性突變(圖3)。刺突蛋白通過與血管緊張素轉化酶2(angiotensin-converting enzyme , ACE2)受體及輔因子結合，來介導對細胞的感染。其活化需要先被弗林蛋白酶切割，再被跨膜絲氨酸蛋白酶2(Transmembrane protease serine subtype 2, TMPRSS2)或組織蛋白酶L切割，從而釋放出融合肽，通過膜融合入胞[10]。除了決定傳染性，刺突蛋白還是疫苗接種和既往感染者抗體的主要靶標。

與原始病毒株相比，Omicron變異株有大量改變位于與ACE2受體直接作用的受體結合模體，這一改變影響了刺突蛋白對ACE2的親和力。BA.1刺突蛋白RBD中R493、S496和R498與ACE2形成新的鹽橋和氫鍵，從而代償了K417N突變造成的親和力喪失[11]。目前的研究認為，與delta變異株相比，Omicron刺突蛋白與ACE2的親和力更強，這也與Omicron傳染性增強的特性相符。

N679K和P681H這兩個位于S1/S2附近的突變，增加了弗林蛋白酶對S1/S2的切割，并可能增強了病毒的復制適應性[12]。而與其他VOCs相比，Omicron被TMPRSS2處理效率更低，這也導致了其入胞方式的改變，膜融合率較低，主要通過TMPRSS2非依賴性的內吞途徑入胞[13]。

BA.1中Δ69-70缺失可能不僅會增加病毒傳染性和刺突蛋白加工[14]，還與TaqPath試驗中S基因靶基因失效(S-gene target failure, SGTF)有關，這一特殊改變提供了確定BA.1感染的方法[15]。BA.1的ins214EPE突變在其他變異株中都沒有觀察到，但存在于導致普通感冒的病毒和人類基因組中[16]。

黑色表示共有部分，紅色和藍色分別表示BA.1和BA.2特有的突變。

黑色表示共有部分，紅色和藍色分別表示BA.1和BA.2特有的突變。

三、Omicron變異后的影響

(一)Omicron變異株的傳染性 SARS-CoV-2的傳染性主要取決于RBD和ACE2的親和力。Omicron變異株刺突蛋白突變后與ACE2的結合自由能增高，BA.1的累計變化為2.60 kcal/mol，表明病毒傳染性為原始病毒株的13倍、delta的2.8倍[17]；BA.2更甚于BA.1，傳染性為其1.5倍[18]。

這與真實世界的流行情況一致，Omicron變異株的倍增時間很短。根據(jù)一些國家的早期估計，其倍增時間約為2.4 d(英國)、2.0 d(丹麥)和3.0 d(澳大利亞)[19]。2021年11月底，英國發(fā)現(xiàn)了兩例 Omicron患者，并在1個月后完全取代了delta變異株；BA.2于2022年1月出現(xiàn)，目前已占所有感染者的90%以上[20]。因此，Omicron是目前為止傳染性最強的變異株。

(二)Omicron變異株感染后的臨床嚴重程度 動物研究表明，由于TMPRSS2 在肺泡上皮中高表達[21]，在刺突蛋白對TMPRSS2的利用減少后，Omicron更傾向于感染上呼吸道，引起的肺組織病理變化更弱，在小鼠中致死率更低[22]。

臨床研究也證實，Omicron感染所引起的癥狀較輕。與delta變異株感染者相比，Omicron變異株引起的臨床癥狀更輕，住院率更低(1.9% vs 2.6%，P=0.03)，急性癥狀持續(xù)時間更短(6.87 vs 8.89 d，P <0.0001)[23]，住院患者需要接受氧療的比例也大幅下降(17.6% vs 74%，P<0.001)[3]。

從基礎到臨床的研究結果均表明，相較于其他SARS-CoV-2，Omicron變得更為“溫和”。

(三)Omicron變異株的免疫逃逸性 Omicron變異株在RBD部位的大量突變使其傳染性增加，而且由于構象變化，大多數(shù)疫苗接種或既往感染產生的NAbs無法有效結合RBD，因此Omicron表現(xiàn)出驚人的NAbs逃逸能力。研究證明，247種人類RBD 靶向的NAbs中有超過85%被Omicron逃逸[24]。在康復者的血漿樣本中，與原始病毒株相比，Omicron的50%中和滴度(50% neutralization titer, NT50)降低了32%～58%。此外，在接種兩針mRNA疫苗后1.3個月，Omicron的NT50比原始病毒株低了127倍[25]。

Omicron的RBD構象改變使其對記憶B細胞(memory B cell, MBC)也發(fā)生了嚴重的逃逸，所以MBC無法在NAbs滴度下降后進行迅速有效的補充。研究發(fā)現(xiàn),mRNA疫苗接種者和既往感染者在接種或感染100 d后，僅有30%特異性MBC分泌的IgG對Omicron的RBD具有親和力。盡管如此，MBC的保護力并沒有完全喪失，所有受試者都仍然能夠產生有效中和Omicron的MBC克隆[26]。而絕大多數(shù)已知的T細胞抗原表位保守，因此T細胞對Omicron的識別得到了保留。在接種疫苗后約6個月的受試者中，84%的CD4+和85%的CD8+T細胞對Omicron的應答被保留[27]。T細胞反應的保存可能在對不同突變株的預防中發(fā)揮了重要作用。

如何應對Omicron免疫逃逸的問題，是下一步的研究方向。越來越多的研究顯示，疫苗加強針可加強對Omicron變異株的中和作用[28]。還有研究表明，第三劑疫苗采用混打可取得更好的效果[29]。英國衛(wèi)生部開展了疫苗對于Omicron有效性的回顧性研究發(fā)現(xiàn)，AZD1222兩劑接種20周后對預防Omicron無效，BNT162b2在兩劑接種25周后對Omicron的保護力降為8.8%。而AZD1222初免接種者在BNT162b2加強后，對Omicron保護力則為62.4%[30]。

(四)針對Omicron變異株的藥物治療 自COVID-19大流行以來，已有大量研究致力于SARS-CoV-2的藥物研發(fā)，旨在阻止病毒進入細胞或抑制病毒復制，多種單克隆抗體(Monoclonal antibodies, mAbs)及小分子藥物相繼問世，而由于Omicron大量位點的突變，這些藥物的有效性需要重新評估。

通過結合刺突蛋白受體結構域的不同表位，mAb可阻斷SARS-CoV-2與 ACE2 的相互作用。然而，Omicron刺突蛋白中的大量突變使其對臨床上以之為靶標的mAbs產生了抗性。何大一團隊評估了包括已獲臨床批準的治療抗體在內的19種針對Omicron變異刺突蛋白的mAbs的中和活性[31]，只有 LY-CoV1404一種可以同時抵抗Omicron的BA.1和BA.2兩種亞譜系。另一項研究評估了Omicron對目前已批準臨床使用或正在開發(fā)中的9種mAbs的敏感性[32]，其中5種抗體(Bamlanivimab、Etesevimab、Casirivimab、Imdevimab和 Regdanvimab)對omicron無效；2種(Cilgavimab和 Andintrevimab)的中和活性相較于delta降低了約20倍；Sotrovimab抗Omicron的活性相較于delta降低了約3倍。此外，由于Omicron刺突蛋白突變后入胞模式的改變，TMPRSS2抑制劑Camostat對Omicron變異株的效果也較差[33]。

除了mAbs，Paxlovid、Molnupiravir和Remdesivir等小分子新冠藥物針對病毒的酶發(fā)揮作用，而病毒酶結構的突變比刺突蛋白要少得多，因此有效性得以保持。新型口服抗病毒藥物Paxlovid 中的Nirmatrelvir作為3CL蛋白酶抑制劑,可抑制SARS-CoV-2病毒復制，Molnupiravir和Remdesivir主要靶向RdRp。體外研究表明，這三種藥物仍然具有對Omicron的抑制效果，其中奈瑪特韋的抗病毒能力最強[34]。因此，未來針對病毒結構中相對保守、突變較少的部位設計藥物或許能取得更好的效果，且能對多種變異株都能產生良好的效果。

四、總結與展望

Omicron變異株的全球感染人數(shù)正在急劇攀升。在關鍵部位發(fā)生的大量突變使其特性發(fā)生了巨大的改變。雖然致病力有所減弱，但卻同時有著更高的傳染性、更強的免疫逃逸能力，當前治療藥物的有效性也需要重新評估。這一VOC的大流行，對世界各地的醫(yī)療體系和資源也造成了巨大的沖擊和擠兌。Omicron出現(xiàn)至今只有5個月，人們對于其臨床特征還需要全面系統(tǒng)的評估。

雖然目前疫苗對Omicron的有效性有所下降，但疫苗接種仍可起到降低重癥率、病死率的作用。因此，在如今Omicron大流行時期，大力推行疫苗接種，尤其是在高危人群中提高疫苗接種率至關重要。同時，正確佩戴推薦類型的口罩、避免大規(guī)模聚集活動、遵守防疫制度等理念也需要加強宣傳。

SARS-CoV-2是否會出現(xiàn)新的變異株尚未可知，加強藥物與疫苗研發(fā)尤為重要。病毒RBD部位由于進化選擇優(yōu)勢可能會發(fā)生大量突變，從而導致針對該部位的藥物或疫苗失效。而針對突變較少的病毒酶發(fā)揮作用的藥物可能更為廣譜，對各種變異株可能均能發(fā)揮作用。同時，疫苗加強針或序貫接種法可能會提供更強大的保護力，但仍需要進一步的臨床試驗來確定其保護性。

總之，通過全世界科研工作者的不懈努力，通過世界人民的守望相助，相信人類有能力將SARS-CoV-2的危害降到最低，實現(xiàn)和平共處。