SARS-CoV-2 KP.3.1.1如何通过积累关键突变位点获得竞争优势？

近日，香港大学朱轩团队携手复旦大学王鹏飞团队、复旦大学孙蕾团队、国科大杭州高等研究院何茂洲团队和复旦大学赵晓宇团队，在《自然通讯》发表研究成果——“Pathogenicity, virological features, and immune evasion of SARS-CoV-2 JN.1-derived variants including JN.1.7, KP.2, KP.3, and KP.3.1.1”。该研究不仅详细比较了不同SARS-CoV-2 JN.1子代病毒的病理学特征，并且深入探究了KP.3.1.1毒株如何通过关键突变位点获得竞争优势，从而成为2024年下半年的全球主流毒株的机制，为进一步理解冠状病毒致病性的分子机制以及冠状病毒演化过程提供了重要的实验依据。

图1 KP.3.1.1毒株在2024年下半年成为主流毒株

继SARS-CoV-2 JN.1之后，其子代毒株相继出现并通过积累氨基酸突变获得传播优势，在这项研究中，研究者聚焦于包括JN.1.7，KP.2，KP.3和KP.3.1.1在内的关键毒株，尝试探究这些毒株获得优势的分子机制。

在2024年下半年，JN.1毒株的传播在世界范围内逐渐减少，同时其子代毒株迅速崛起，其中KP.3.1.1毒株势头强劲，在2024年7月到11月间成为了全球范围内的主流毒株。通过比较其子代的基因组序列，研究者发现相较于相似度最高的KP.3毒株，KP.3.1.1毒株仅在刺突蛋白的S31位点和NSP10蛋白的S33位点携带氨基酸缺失或突变（图1）。

图2 KP.3.1.1毒株的免疫逃逸能力

图3 KP.3.1.1刺突蛋白的低温电子显微镜结构分析

研究者通过使用中和抗体，新冠病毒突破感染病人免疫血清和新冠病毒免疫仓鼠血清评估JN.1子代病毒的免疫逃逸能力，发现KP.3.1.1毒株的刺突蛋白具有最强的免疫逃逸能力（图2）。通过进一步的结构分析，研究者发现KP.3.1.1毒株的刺突蛋白序列中S31位点缺失可能会导致N30位点产生全新的糖基化修饰，并且因此干扰抗体的中和效果。为了验证这个猜想，研究者使用可以直接结合N30位点的C1717抗体，证实C1717抗体对KP.3.1.1刺突蛋白的中和效果远远差于对KP.3刺突蛋白的中和效果。通过在KP.3和KP.3.1.1刺突蛋白的基础上添加N30A突变彻底废除可能存在的糖基化修饰，研究者发现C1717抗体对修改后的KP.3.1.1刺突蛋白的中和效果基本回升到对KP.3刺突蛋白中和效果的同一水平，证实了S31位点缺失通过产生全新的N30位点糖基化修饰增强KP.3.1.1刺突蛋白的免疫逃逸能力（图3）。

图4 KP.3.1.1刺突蛋白S31位点缺失增强刺突蛋白感染能力

通过假病毒转导实验，研究者证实携带有KP.3.1.1刺突蛋白的假病毒相较于携带JN.1或KP.3刺突蛋白的假病毒在细胞中的转导能力有十分显著的提升。研究者构建了基于BA.2，XBB.1和JN.1刺突蛋白的S31位点缺失的刺突蛋白并包装了对应的假病毒用于进一步验证，实验结果证实了S31位点缺失独立增强新冠病毒刺突蛋白感染能力的重要作用。这一发现凸显了S31位点缺失作为关键的免疫逃逸及感染能力双增强突变位点的重要价值（图4）！在后续的实验中，研究者进一步发现S31位点缺失增强刺突蛋白感染能力是通过上调刺突蛋白在细胞表面及细胞内部的表达水平从而实现。

图5 NSP10 S33C突变抵消由刺突蛋白氨基酸突变增强的复制能力

既然刺突蛋白S31位点缺失显著增强了KP.3.1.1刺突蛋白的感染能力，为什么在复制实验中没有观察到KP.3.1.1复制能力的增强？带着这个疑问，研究者把目光聚焦于另一个KP.3.1.1毒株与KP.3毒株不同的NSP10 S33C突变。为了探究NSP10 S33C突变对病毒复制可能存在的作用，研究者使用了Lambda-Red质粒重组系统并且构建了基于BA.1重组病毒的NSP10 S33C和NSP10 S33C+Spike S31del重组病毒。在体内体外的复制能力实验中，研究者证实NSP10 S33C突变显著降低了病毒的复制能力，而在此基础上进一步增加刺突蛋白S31位点缺失使得病毒的复制能力基本回复到BA.1重组病毒的水平，表明了NSP10 S33C对平衡病毒复制能力和致病水平的重要作用。研究者通过结构预测发现，原本NSP10与NSP14的直接结合可以促进病毒的复制过程，而NSP10 S33C突变可能减弱了与NSP14 N67位点的结合能力，因此减弱了病毒的复制能力和对环境的适应水平（图5）。

结合本研究的发现，研究者解释了SARS-CoV-2 KP.3.1.1通过积累关键氨基酸突变从而获得现有致病能力，免疫逃逸能力和基本病毒学特征，并成为世界主流毒株的分子机制。本研究强调了刺突蛋白中免疫逃逸及感染能力双增强突变的重要价值，以及病毒通过结合刺突蛋白内外氨基酸突变共同塑造病毒总体特性的复杂机制。提示了结合当前新冠病毒持续大规模传播的事实，保持对新冠病毒特征和进化过程的持续监视仍是当前病毒学研究中的重要部分。