近期，北京大学生命科学学院陆剑教授课题组在Journal of infection发表题为“Molecular Insights into the Adaptive Evolution of SARS-CoV-2 Spike Protein”的综述论文。在该综述中，作者综述了目前对SARS-CoV-2的S蛋白关键氨基酸突变位点的结构影响，并阐述了S蛋白突变的上位效应。这些研究结果从分子水平揭示了新冠病毒S蛋白突变对于传染性、免疫逃逸和致病性的临床影响，强调了病毒进化的复杂性和动态性，以及持续监测和分析病毒基因组的重要性。本研究有助于读者更深入地了解病毒的适应性进化，为疫苗设计与抗病毒药物开发提供指导。

冠状病毒的刺突(Spike, S）蛋白通过识别宿主细胞表面受体，促进病毒侵染细胞。在病毒侵染细胞过程中，S蛋白通常形成三聚体，并与宿主细胞表面ACE2受体（hACE2）结合。S蛋白由两个亚基S1和S2组成，S1亚基识别宿主细胞表面的受体，而S2促进病毒与宿主细胞膜融合。S1由N端结构域（S1-NTD）和C端结构域（S1-CTD）组成，它们都可以作为受体结合结构域（RBD）进入细胞。S蛋白还可以作为中和宿主生物抗体的关键表位，是许多临床疫苗研发的焦点。陆剑实验室先前发表在Molecular Biologyand Evolution(Tang et al. 2023) 的研究表明，在冠状病毒与宿主动物之间的军备竞赛中，S蛋白经历了适应性演化，有大量位点受到正选择。

自新冠病毒疫情暴发以来，新冠病毒基因组上积累了大量的变异，尤其以S蛋白上的变异最为瞩目。随着新冠病毒的流行，世界卫生组织（WHO）定义了一系列值得关注的SARS-CoV-2变异株（VOC），这些变异株在S蛋白上具有特征突变（图1）。在S蛋白的104个代表性的氨基酸突变中，有21个突变有助于增强传染性，而有19个氨基酸突变降低了传染性；免疫逃逸方面，有43个氨基酸突变增加了免疫逃逸能力。值得注意的是，其中14个突变同时加强了传染性和免疫逃逸能力，而18个突变以降低传播力为代价加强了免疫逃逸。在图1中，本文详述了这些VOC中的关键氨基酸突变，以及其对病毒传播力与免疫逃逸的影响。

图1. 代表性SARS-CoV-2变异株S蛋白的特征性突变

文章从分子层面阐述了自大流行开始以来，在S蛋白中观察到的关键突变的结构影响。例如，T372A破坏了N-X-T/S基序，消除了N370残基的N-糖基化，释放聚糖结合位点，促进病毒与宿主细胞的表面聚糖结合，从而增强SARS-CoV-2对hACE2的结合亲和力（图2A）；D614G破坏了与另一原聚体T859形成的氢键，削弱了同源三聚体的稳定性，增强S蛋白灵活性，促进S蛋白三聚体采取RBD更“开放”的构象，从而促进与hACE2的结合，增强感染力（图2B）。

图2. T372A和D614G突变对SARS-CoV-2 S蛋白结构的影响

本文还论述了上位效应对病毒传播力与免疫逃逸的影响及其分子机制。比如，Omicron毒株中的N501Y+Q498R联合突变。具体而言，在SARS-CoV-2原型株中，残基N501和Q498与hACE2的D38和K353形成极性互作网络（图3C）。N501Y单个突变增强了与hACE2结合亲和力，但它破坏了Q498的互作力（图3D）。研究表明，Q498R单个突变促进其与D38形成盐桥，但使得K353更不稳定，整体上略微降低了与hACE2的互作。然而，当双重突变N501Y+Q498R时，它们诱导了极性互作网络的上位性重构，从而显著增强了与hACE2的互作强度。这种重排涉及Y501和K353之间的氢键、Y501和Y41之间的π-π堆叠相互作用、R498与D38之间以及K353和D38之间形成的盐桥（图3E）。这些突变的上位效应显著增强了新冠病毒的适应性，暗示了S蛋白的演化潜力仍然很高。

图3. S蛋白N501Y相关突变对RBD-hACE2相互作用的上位性影响

此外，本综述还论述了S蛋白中L452R/Q、E484K/A、G446S、G496S、Y505H、S477N、F486V/S/P、L455F+F456L（“Flip”突变）、L455S（目前流行的JN.1毒株的标志性突变）等对于病毒传染力与免疫逃逸的临床与结构影响。

陆剑、北京大学生命科学学院博士后唐小鹿为该论文的共同通讯作者，中国海洋大学海洋生命学院本科生姚卓成和中国海洋大学水产学院本科生张林为该论文的共同第一作者，北京大学生命科学学院段元格博士对该论文作出重要贡献。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委和中国博士后科学基金等机构和项目的支持。