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这位中国科学家的研究成果

日期:2021-02-22 13:21:31 来源:互联网 编辑:小狐 阅读人数:124

这位中国科学家的研究成果(图1)

这位中国科学家的研究成果 S-2P 技术,已经被应用到上亿支被视作解药与希望的新冠疫苗中, 加速人类与病毒对抗的进程。

社交网络信息繁杂,我的一句话,就有可能节省很多人几个小时的查文献的时间。当然了,为了说一句明确的话,我可能也要查几个小时文献。 他通常在结束了实验室的工作后,解析文献、介绍背景和知识,也回复网友的提问或质疑。所以,我更要保证我写下的文字靠谱。真是我对所写文字的基本要求。

这位中国科学家的研究成果(图2)

从左至右:杰森・麦克莱伦(Jason McLellan)Daniel Wrapp,王年爽

初生牛犊

时间回到 2009 年。彼时,王年爽刚刚来到清华大学攻读博士学位,方向是结构生物学。导师王新泉教授认为王年爽底子不错,鼓励他去做一些更困难的课题。

我自己也想做些不一样的东西,从零开始开辟一些新的方向。

然而在苦苦奋斗三年半,连续两次遭遇实验成果被其他团队抢先发表、手上即将完成的实验数据不再新颖而失去价值后,王年爽面临着巨大的压力,连顺利毕业都成了难题。

2012 年,中东呼吸综合征(MERS)冠状病毒开始在地球上部分地区肆虐,致死率达到惊人的 50%。

这位中国科学家的研究成果(图3)

Nature发表关于 DPP4 文章

十年前 SARS 病毒带来的阴霾尚未散尽,冠状病毒有可能成为人类的持续性威胁。

当时,王年爽所在的实验室完全具备研究冠状病毒的条件,自己也有读博以来打下的坚实基础,几乎没有过多的思索,王年爽与导师王新泉教授一拍即合,决定进入冠状病毒这个此前从未涉猎的研究领域。

同时,导师王新泉也建议王年爽兼顾着做一些小课题,至少保证顺利毕业。科研即使全力以赴,也不代表一定能做出成果,更何况这是一场全世界范围的竞争。王年爽知道,这是导师出于对学生的前途与课业的考虑,更实际而全面的考量。

但他没有给自己留下退路。我知道自己在做一件对的事情,有了这些年的努力,我也想再最后一次。这大概是我最后一次机会,我有勇气赌上一切解决难题。

青年人的勇气与坚持,终于得到了命运的眷顾与回响。

仅仅花了 40 天,王年爽就顺利解析出 MERS 病毒与 DPP4 受体结合的 RBD 结构域,快到整个实验室都不敢相信。

虽然最终为了验证结构的准确性,他们与张林琦教授实验室共同花了一个月的时间补充生化和假病毒实验,错过了发表窗口,最终与顶级期刊绝缘。

这位中国科学家的研究成果(图4)

王年爽发表关于 DDP4 受体研究

这项成果打开了王新泉教授和张林琦教授两个实验室冠状病毒研究的大门,双方随后合作筛选了针对 MERS 病毒的首个人源单克隆中和抗体。

2013 年底,王年爽开始思考毕业去向。也是在这一年,结构指导的疫苗设计被顶级学术期刊Science 评为全球十大科学进展。

上世纪 60 年代,美国制备出呼吸道合胞病毒(RSV)甲醛灭活疫苗,后续的临床试验结果却不尽人意:接种 RSV 灭活疫苗的儿童住院率高达 80%,还出现了 2 例死亡病例。此后,RSV 疫苗研发屡战屡败。

当时还在美国国立研究院(NIH)的杰森・麦克莱伦(Jason McLellan)利用中和抗体的辅助解析了呼吸道合胞病毒的 F 蛋白活性状态结构,随后基于获取的结构信息,采用 4 个氨基酸位点的突变,成功获取稳定化 RSV F 蛋白。

动物实验表明,采用这一设计制备的疫苗能诱导空前强大的中和抗体反应。这也是结构指导的疫苗设计首次从概念走向实用,并展现出强大的前景。

这位中国科学家的研究成果(图5)

麦克莱伦等人发表的关于 RSV 疫苗设计的研究

2014 年,王年爽顺利进入美国达特茅斯学院的麦克莱伦实验室攻读博士后,继续冠状病毒的 S 蛋白结构研究。

逆流而上

虽然实验室负责人麦克莱伦的主攻方向是呼吸道合胞病毒(RSV)但技术上的相同点还是给了专攻 MERS 冠状病毒方向的王年爽诸多启发。

MERS 冠状病毒感染人体细胞的过程,与其他常见病毒(如流感病毒,病毒等)的入侵过程相似。

第一步是病毒表面的 S 蛋白与人体细胞表面的受体结合的过程,第二步是通过 S 蛋白构象变化,把病毒外膜和细胞膜拉到一起从而完成膜融合过程针对 S 蛋白设计的中和抗体,就有可能在这两个步骤中发挥作用,从而阻止病毒入侵人体细胞。

MERS 病毒发生构象变化前后被分别称作融合前构象和融合后构象。

麦克莱伦等人此前针对 RSV F 蛋白的研究中发现,融合前构象的 F 蛋白非常不稳定,会自发变到融合后构象,从而在免疫原性上大大降低。这是 RSV 疫苗半个多世纪里屡战屡败的最可能原因。

MERS 冠状病毒的 S 蛋白与 DPP4 受体结合时,也会发生类似的构象变化。由于构象变化的过程非常迅速,想要获取稳定的 S 蛋白并不容易。

获取稳定的融合前构象 S 蛋白对解析病毒入侵过程至关重要,同时也能大大便利后期疫苗、抗体的研发。

几种高致病性的冠状病毒,如 SARS 病毒、MERS 病毒等的 S 蛋白都不稳定,会像 RSV 的 F 蛋白一样,自发改变成融合后构象。这给深入了解 S 蛋白入侵细胞的机制带来极大困难,也大大阻碍了疫苗、抗体的研发。

为了突破这一点,王年爽需要找到控制构象变化过程的方法。 如果把冠状病毒比作变形金刚,将不同构象比作人型和车型两种状态,我的工作就是想办法让变形金刚持续稳定在具有战斗力的人型状态下。

这位中国科学家的研究成果(图6)

王年爽在麦克莱伦实验室

起初,王年爽采用了十多年前针对流感 HA 蛋白研究建立的传统手段,比如通过突变获得 Furin 蛋白酶切位点、C 端截短、加入三聚化的 foldon 结构域等。

这就像给变形金刚穿上一件很大的衣服,阻止它变回车的形态。但衣服不够牢靠,稍加挣脱,变形金刚就会扯破衣服变回去。

这些操作虽然收效不大,但给了王年爽一些启发。到了第二个阶段,他开始尝试利用中和抗体作为主要研究思路。

通过与美国 NIH 的 Barney Graham 实验室合作,王年爽成功获取到两个针对 MERS 的中和抗体,其中一个是靶向 S2 蛋白的 G4 抗体。后续实验结果表明:靶向 S2 抗体如果与 S 蛋白共表达,S 蛋白的表达量会大大提高,并且复合物能长久维持在融合前构象。

这个结果验证了他们的假设,也给了王年爽很大的信心:既然 S 蛋白的构象转变是导致表达量低和不稳定的主要原因,那么如果能在 S2 上设计突变,抑制 S 蛋白构象的转变,就能很大程度上提高 S 蛋白的产量和稳定性。

这就像设计一个巨大的脚手架来固定变形金刚,通过锁死重要的关节,让它变不回车形状态。这样变形金刚无处遁形,警察就可以对其进行更精确的识别。

然而,结合抗体的 S 蛋白尽管足够稳定,却不适合做抗原。

要想稳定 S 蛋白的状态,必须从内部稳定它的结构。在这个结论的基础上,王年爽开始了第三阶段的实验,也就是真正的结构指导的疫苗设计。

MERS 病毒 S 蛋白的研究过程困难重重,于是他们决定曲线救国,把目光转向其他冠状病毒的 S 蛋白。

通过与 Andrew Ward 实验室合作,解析冠状病毒 HKU1 的 S 蛋白结构。几乎与此同时,David Veesler 实验室解析了另一种冠状病毒 MHV 的 S 蛋白结构。这样一来,他们终于有了结构设计的模板。

通过结构解析,王年爽发现,冠状病毒的 S 蛋白融合前构象有一段类似一个折叠的臂力棒的结构,这是这类病毒病毒膜融合蛋白融合前构象的最显著特征。这段结构在入侵细胞后会变成融合后构象,也就是臂力棒弹开,形成一条伸展的长螺旋结构。

因此,要选择一种方法压住这个臂力棒,阻止结构展开。

为此,王年爽针对S 蛋白设计了 100 多个不同突变,大致可以分为以下三类思路:通过添加大的疏水氨基酸,填补结构中的空腔;通过添加二硫键,给结构打补丁;通过添加脯氨酸突变,抑制 α-螺旋的延伸。

经过不同的尝试后,最终确定第三种思路:添加脯氨酸突变。

我们先是在十几个不同位置设计脯氨酸突变,最终发现其中 4 个可以起到稳定 S 蛋白融合前构象的作用,增加 S 蛋白在细胞中的表达量。在这个基础上,王年爽又将这 4个突变进行排列组合,叠加突变对 S 蛋白结构稳定性的影响。这是一个大胆的创新,王年爽的处理快速而谨慎。

三个月后,王年爽发现,给 MERS 病毒的 S 蛋白添加 2 个脯氨酸(P)突变对于稳定其结构最有效。更令人兴奋的是,这一方案对包括 SARS,MERS,HKU1 在内的多数冠状病毒都有效,并且因为简便直接,有望快速应用到后续新发的冠状病毒的疫苗设计中。

至此,这个由王年爽首创的 S-2P 突变方案终于横空出世。

也正是这个方案,为后来新冠病毒 S 蛋白结构的快速解析做下铺垫,也为后面多种新冠病毒的疫苗设计了重要的技术支撑。

这位中国科学家的研究成果(图7)

在达特茅斯天寒地冻的环境里,科研工作之余,王年爽发掘了一些新爱好,从不在国内滑雪的他初到美国的一年内滑了七八次雪

遇冷

然而,这个令王年爽所在团队激动不已的研究成果,当时并没有得到学术界的认可。

被 Science、Nature、 Cell 三大顶刊先后拒稿后,王年爽投递的期刊级别一降再降,得到的反馈却总是相同的冷淡。

我们的文章整体上非常扎实,文章中干货很多,除了 S-2P 的设计以外,最初时第一次描述 RBD 的上下移动,第一次报道冠状病毒靶向 S2 的中和抗体的结构。审稿人对此没有什么疑问,因而在数据方面几乎没有需要补充的东西。王年爽的语气充满无奈,但我们得到的反馈意见却总是文章缺乏价值,很少人能真的了解这篇文章对于未来研究的意义。

不过事实证明,这篇文章为后面包括新冠病毒在内的多种冠状病毒 S 蛋白结构、抗体、和疫苗研究奠定了基础。

这是王年爽攻读博士后的前三年花费巨大努力深入研究的课题,在基础研究方面他几乎没有涉猎其他的领域。一直到 S-2P 技术诞生,王年爽都是实验室唯一的博士后,也是唯一一个死磕冠状病毒的人。

2017 年夏天,这篇经历 5 次拒稿的文章终于被PNAS (美国科学院院报)接收。

这位中国科学家的研究成果(图8)

发表研究

拿到接收的一瞬间,王年爽只有一个感觉:解脱。

终于不用再空耗时间在这上面做无意义的争辩了,这个过程实在太痛苦了,无论发在哪里,就让这一切结束吧。

文章的发表,也意味着王年爽需要更换研究课题。与此同时,他所在的麦克莱伦实验室要从美国东北部的达特茅斯学院搬到西南部的德州大学奥斯汀分校。

这些都意味着,一切需要从头开始,王年爽也将面临更大的压力。此时他的女儿还不到两岁,经济上的困难也随之而来。

与当初那个 40 天做出研究成果、满怀学术理想与一腔热血来到美国的清华少年相比,此时的王年爽已经没有了那份高傲的心气,取而代之的是对整个研究领域的失望,以及生存的无奈。

他开始出现抑郁症状,并为此就医、服药。

对于结构生物学背景的研究人员而言,毕业之后通常会走两条路:一条是用结构来解释蛋白的作用,进入研究蛋白功能相关的实验室;另一条是将蛋白分子结构和实际应用结合起来,利用结构设计一些新的产品。

当初的王年爽为了突破结构生物学这个小圈子选择后者。我希望能在结构指导疫苗设计这个全新领域深耕,做出一些突破性的研究。同时将抗原设计和抗体设计相结合,探索一条新的传染病研究模式。

但他深知,一篇 PNAS 文章远不足以让他谋求一份教职。更严重的是问题是,我看到新发传染病这个领域被日益边缘化,在学术界和工业界都没得到足够的重视。

当时,王年爽长期合作的是半政府部门的美国 NIH 下属的疫苗研究中心,进行冠状病毒基础研究,同时与默克、强生、阿斯利康在多种病毒的医学研究方面都有过合作。

他开始重新思考自己的未来:究竟一条怎样的职业道路才能更适合自己?才能照顾好在背后默默支持着自己的家人?

此前过分沉浸于学术研究的他不得不开始考虑这些现实的问题。

2017 年冬天,王年爽带着妻子和女儿,驱车 8 个日夜,沉默地离开了风雪交加的达特茅斯学院,驶向充满未知的德克州。

这位中国科学家的研究成果(图9)

王年爽(右一)与麦克莱伦实验室的同事们

新冠来袭

虽然仍是冬日,地处南方的德克州,花草树木显得更加郁郁葱葱。这个不一样的地方,似乎也给王年爽带来了不一样的运气。

搬到德州的 2 个月内,Veesler 实验室等领域内的同行开始采用 S-2P 这一技术,并把文章发到了 Cell 之类顶级期刊。

这个转变让王年爽苦笑,我们的设计发在了 PNAS ,别人根据这个设计方案做出的成果却发在了更好的期刊。

但他很快释怀,看到大家都在使用这个成果,而且都给予了非常高的评价,这已经算是实现我的学术追求了吧。文章大概真的没有那么重要,当然我也不再强求了。我是技术粉加工业党,希望科技最大程度的改变社会,发文章本也不应是我的初衷。

2019 年底,再生元公司向王年爽伸出橄榄枝。当时没有任何人能预料到,人类即将面临一场前所未有的风暴与。

就在王年爽入职前不久,一种人类未曾对抗过的病毒迅速蔓延,彻底改变整个世界—新冠疫情来了。

同为冠状病毒,新冠病毒和它的亲戚 SARS、MERS 病毒一样,同样是通过病毒表面的 S 蛋白介导人体细胞表面受体的结合,在这个过程中也会出现构象改变。

要设计出针对新冠病毒的疫苗,就要从 S 蛋白入手。

出乎王年爽意料的是,新冠病毒 S 蛋白是他接触过的大约 10 种冠状冠病毒中 S 蛋白中最不稳定的一个,极易变成融合后构象。

如果新冠病毒 S 蛋白变成融合后构象,即便能诱导出很好的抗体反应,抗体的中和效力也将大大降低。

王年爽此前苦苦研发的 S-2P 技术,恰恰就能解决这个问题: 稳定 S 蛋白在融合前构象,激发免疫产生更强效持久的免疫反应。

我们一开始设计 S-2P 突变,本意就是希望帮助未来的传染病防控,也想到了未来如果有新的冠状病毒爆发,我们的成果会发挥很重要的作用。但是我们从没想到过会是这样一场百年不遇的大流行,而且就近在眼前。

身处麦克莱伦实验室的王年爽,作为实验室中最早研究冠状病毒、研究经验也最丰富的实验人员,迅速投身新冠病毒 S 蛋白的结构解析工作。

在 此前对 MERS、SARS、HKU1 等冠状病毒的 S 蛋白研究的过程中,王年爽曾做过 1000 个左右的 S 蛋白相关的质粒构建和表达尝试。打了这么多年交道,大概极少有人比我更了解 S 蛋白了吧。

丰富的经验积累,让王年爽在和时间赛跑的过程中,将效率发挥到了极致。

这 10 天还包括订购基因和引物、测序的时间。如果除去这部分时间,其实可以更快。之后的结构研究也算是顺风顺水。

2020 年 2 月 17 日,王年爽等人对新冠病毒 S 蛋白结构解析的文章被 Science 接收。与之前被 5 次拒稿不同,这次从到发表只用了短短 9 天。

这位中国科学家的研究成果(图10)

王年爽等人的研究论文

这篇新冠 S 蛋白结构的文章出炉后, 阿斯利康、Adimab、AbCellera、何大一教授实验室…全球许多制药公司和研究机构都向王年爽所在团队表示,希望能质粒或蛋白以便更好更快地研究新冠病毒,从而研发疫苗,寻找解药。

只要对方有要求,我们都会给。实验室缺人,我是亲自去寄的,总共向十几个国家寄出了 100 多份。没有任何附加条件,用这些材料发文章的话连致谢都没有要求。

如今,这项研究成果已经被应用在多种不同技术路线的新冠疫苗中,包括辉瑞 / BioNTech 的两种 mRNA 疫苗(BNT162b2 和 mRNA-1273)强生的腺病毒载体疫苗、Novavax 的基因重组蛋白疫苗、Sanofi Pasteur 和 GSK 联合的重组蛋白疫苗等。

S-2P 稳定化的 S 蛋白还促成了全球过半数高效中和抗体的问世,包括礼来已被批准紧急使用的中和抗体 LY-CoV-555。当前几十个新冠病毒 S 蛋白与中和抗体的复合物结构中,使用的 S 蛋白也基本都是 S-2P 或在此基础上更进一步的 S-6P。

王年爽及其团队的研究成果终于来到台前,受到学术界的肯定。

他也成功实现了在清华攻读博士阶段立下开拓一个新方向的小目标:新冠疫情爆发后,在王新泉教授的实验室里,有一批学生正在王年爽开拓的科研疆土中,继续着冠状病毒相关的研究。

虽然自己选择在冠状病毒领域处于研究低潮的时期全力投入,没能得到期待的结果,但王年爽并不后悔。

科研必然是一场孤独的旅程。我希望让科研尽量纯粹一点,能够真正地做到服务社会,充分发挥科研所应有的价值,不是为了文章而科研。真正有价值的研究是不会被埋没的。

本文相关词条概念解析:

蛋白

蛋白又名鸡子白,异名:鸡卵白(《别录》),鸡子清(《食疗本草》)。来源:为雉科动物家鸡的蛋白。动物形态详鸡肉条。

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