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上海奥门新萄京8455系统生物医学研究院陶生策团队合作开发SARS-CoV-2蛋白质组芯片全局性分析新冠病人血清IgG&IgM应答

COVID-19的全球大流行到目前为止已经造成了一千多万人的感染,五十多万的死亡病例。针对新冠病毒的抗体,特别是IgG和IgM进行检测,有助于新冠病毒感染的诊断,是核酸检测的有力补充。目前已鉴定的抗原主要有核衣壳蛋白(N蛋白)和刺突糖蛋白(S蛋白),对于新冠病毒其它蛋白的抗原性的鉴定仍为空白。另外,探索病人体内的抗体响应强度与年龄、性别、疾病的进展和严重程度等是否有相关性,将有助于我们进一步理解病毒和机体免疫系统的相互作用,对干预治疗或疫苗开发具有重要意义。因此,从系统层次全局性地分析新冠肺炎病人血清中病毒特异性抗体的种类和强度十分必要。

2020年7月14日,奥门新萄京8455陶生策团队、佛山第四人民医院周杰团队以及中科院武汉病毒研究所门冬团队通力合作,在Nature Communications上发布了基于SARS-CoV-2蛋白质组芯片新冠病人康复期血清的IgG/IgM抗体响应的全局性分析文章(SARS-CoV-2 proteome microarray for global profiling of COVID-19 specific IgG and IgM responses)。

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该团队前期合成了SARS-CoV-2全套原核表达克隆并进行了无偿分享(为了能让更多的科学家方便获取,该团队已将这套克隆放到了中科院生化细胞所苏州研究院的质粒共享平台上(http://brics.ac.cn),并授权他们进行后续分享)。并在该表达克隆库的基础上成功地构建了第一款SARS-CoV-2蛋白质组芯片。该芯片涵盖了18个新冠病毒基因组所编码的蛋白质,并且多个蛋白有多个版本,多个来源,如E.coli表达、哺乳动物细胞表达以及无细胞体系表达。芯片的布局、质控以及初步血清检测结果如图2所示。

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图2. SARS-COV-2蛋白质芯片的布局和血清分析

左图: 芯片Anti-6xHis质控及布局表格,其中蛋白名称中后缀表示蛋白来源(T: Tao Lab (陶老师团队); B: Hangzhou Bioeast biotech. Co., Ltd.; K: Healthcode Co., Ltd.; S: Sanyou biopharmaceuticals Co., Ltd.; W: VACURE l Biotechnology Co., Ltd. Y: Sino biological Co., Ltd.;右图: 一例病人及健康对照血清检测的代表性芯片检测图

基于此芯片,该合作团队进行了新冠病人血清IgG和IgM抗体的全面分析。首批29例新冠肺炎病人均来自佛山第四人民医院,其中轻症患者3例,普通型患者26例,无严重或危重型患者。血清于病人出院当天收集,为康复期血清。另外,纳入了11例健康对照和10例肺癌对照样本。基于SARS-CoV-2蛋白质组芯片,同时对每例血清进行了IgG和IgM检测。针对IgG的响应图谱如图3所示。通过对各样本针对全部抗原的响应信号进行聚类分析,发现病人组、对照组和空白组被较好地聚类成三组,其中,S1蛋白和N蛋白在病人中普遍具有较强抗体响应,而对照组几乎全部为阴性,确证了这两个抗原在免疫诊断上的有效性。进一步分析发现,在对照组中,2例血清针对N蛋白有较强信号,提示N蛋白的可能假阳性。另外,对不同来源的蛋白的抗体响应进行了详细的量化分析,发现无论是原核表达、还是哺乳动物细胞表达抑或是无细胞表达系统,均具有良好的检测效果,但293T来源的蛋白在对照组中所产生的背景更低,或意味着更好的区分效果(参看原文)。

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图3. 29例COVID-19病人、21例对照血清及空白对照的新冠特异IgG反应谱

除了S1蛋白和N蛋白,部分病人中针对新冠病毒其它蛋白也有较强反应。特别是蛋白ORF9b,在29例病人血清中有13例IgG呈现阳性, NSP5在3例血清中IgG为阳性,NSP10,NSP14,NSP16等在1例病人中IgG出现强阳性(参看原文)。尽管目前已分析的样本量较少,但这些初步结果说明除N和S蛋白外其它新冠病毒蛋白亦可能产生抗体,提示这些蛋白可能具有重要的生理或病理作用。

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图4. Age、LDH等临床特征与S1蛋白IgG响应强度的相关性分析

最后,本项研究对S1与N蛋白的IgG响应与病人的临床信息进行了相关性分析(图4),排除发病时间(首次症状至样本获取的时间)的影响,发现S1或N蛋白的抗体响应与确诊后取血时间、年龄以及乳酸脱氢酶(LDH)水平呈现显著正相关,而与淋巴细胞百分比(Ly%)呈现负相关。而3例来自轻症患者血清的抗体均处于较低水平,这种相关性提示抗体响应或与疾病的严重程度密切相关。这些观察或提示,对于年轻人而言,机体可能更能轻松地应对,而对于年长者则需要调动更强的免疫响应。值得注意的是,目前的分析仍存在局限性,需通过更多不同类型的样本,更全面的临床关联分析才能获得更为确定的结论。

该芯片已更新,最新版芯片涵盖了21个新冠病毒基因组所编码的蛋白质。基于该芯片的全面血清分析能有助于我们尽快揭示新冠病毒感染后不同人群的免疫反应规律。除此之外,该芯片还可用于但不限于以下方面:

1. 血清学分析。全面地研究新型冠状病毒引发的病毒特异性抗体响应及其动态变化,将帮助我们理解机体的免疫响应过程,发现病毒的优势蛋白抗原;

2. 疫苗评估。动态监控疫苗注射后血清中针对各种蛋白组分的抗体水平,并将其与防御能力进行关联分析,将助力疫苗的筛选和前期评估,加速疫苗的开发进程。

3. 病毒-宿主相互作用研究。进行宿主关键蛋白与病毒蛋白质相互作用研究,以助力对病毒侵染、复制合成等关键机制的揭示,并给出有潜力的靶蛋白用于药物开发研究。

本项研究的共同第一作者为奥门新萄京8455江何伟博士,李阳博士,张海南博士以及佛山市第四人民医院王威医生,通讯作者为奥门新萄京8455陶生策研究员、佛山市第四人民医院周杰院长和中科院武汉病毒研究所门冬副研究员。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-17488-8

陶生策
系统生物医学研究院
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