开发超高三聚体ACE2生物制剂作为通用SARS-CoV-2拮抗剂的突破性研究

本研究针对SARS-CoV-2变异株逃逸现有疗法及疫苗的挑战，开发了一种基于ACE2的对称三聚体拮抗剂（TXA）。通过结构引导设计、二硫键稳定化和酶活性失活突变，该分子展现出皮摩尔级亲和力，广谱中和所有测试变异株（包括SARS-CoV-1），血清稳定性显著提升，为免疫缺陷人群提供潜在通用治疗方案。

　　

COVID-19大流行虽已缓和，但SARS-CoV-2的持续变异仍对全球健康构成严重威胁。尤其对老年人和免疫缺陷人群而言，病毒演化可能导致现有疫苗和单克隆抗体（mAb）失效，甚至出现抗病毒药物耐药株。更令人担忧的是，蝙蝠来源的类SARS冠状病毒（sarbecovirus）不断被发现能结合人ACE2，预示未来可能再次发生跨物种传播事件。面对这一困境，研究者将目光投向病毒入侵机制的核心——血管紧张素转换酶2（ACE2）。所有SARS-CoV-2变异株均依赖ACE2进入细胞，这使得ACE2本身成为理想的中和靶标。然而，天然单体ACE2与病毒刺突蛋白（spike）的亲和力有限，且其酶活性可能干扰人体肾素-血管紧张素系统（RAAS）。此前虽有多聚化ACE2策略的探索，但多数缺乏对刺突蛋白三聚体对称性的精准匹配，未能彻底解决效价和稳定性问题。

本研究团队通过整合结构生物学洞察与蛋白质工程手段，成功设计出一类超高效、广谱的三聚体ACE2拮抗剂。研究主要依托以下关键技术方法：利用表面等离子共振（SPR）分析结合动力学；采用假型慢病毒系统评估中和活性（使用HEK293T-hACE2细胞系）；通过冷冻电镜单颗粒分析（cryo-EM）解析复合物结构；借助差示扫描荧光法（DSF）测定热稳定性；并基于分子动力学（MD）模拟预测突变体构象稳定性。人源样本来源于Expi293细胞表达系统，大鼠血清用于稳定性测试。

结果

设计原理、结合动力学与病毒抑制

基于对ACE2-刺突复合物结构的分析，研究者发现ACE2的N末端更接近刺突三聚体的C3对称轴（E22间距49±5 ?），而C末端相距较远（Y613间距113±7 ?）。因此，他们将人源胶原XVIII三聚化域融合于ACE2的N端，构建了系列TXA分子（X为连接肽长度）。

SPR显示三聚体拮抗剂对SARS-CoV-2和SARS-CoV-1刺突的亲和力（K_D）比单体ACE2提高超100倍，主要源于解离速率（k_d）降低。假病毒中和实验证实，所有TXA变体对武汉株、Delta（B.1.617.2）、Omicron（BA.1）和Arcturus（XBB.1.16）的半数抑制浓度（IC₅₀）均低于1 nM，且对SARS-CoV-1的中和活性提升近千倍（IC₅₀从3200 nM降至0.6–2.2 nM）。

冷冻电镜单颗粒分析

Cryo-EM结构表明，含3氨基酸连接子的T3A构象最接近理想对称性（ACE2-N137间距141±7.6 ?，标准差最低）。

更长或更短连接子会降低对称匹配度，证实T3A为最优设计。

稳定化与酶活性失活

为增强稳定性，团队在ACE2引入N51C-V343C二硫键（熔解温度T_m从50.7°C升至55.1°C），并在三聚化域添加E31C-V'37C二硫键（T_m>100°C）。

为消除酶活性，测试了H345F和R273Q突变。其中R273Q在完全抑制催化功能的同时，保持了更高血清稳定性（50%存活时间61小时 vs H345F的24小时）。分子动力学模拟显示R273Q突变体均方根偏差（RMSD）最低（1.46 ?），印证其构象刚性。

刺突结合取向比较

研究对比了N端融合（三聚化域-连接子-ACE2）与C端融合（ACE2-连接子-三聚化域）策略。

前者确保了三价结合严格匹配刺突对称轴，实现所有RBD同步封盖；后者可能引发跨刺突交联，导致部分RBD暴露，降低中和可靠性。

结论与意义

该研究通过理性设计创造出一种对称匹配、超高亲和力的三聚体ACE2拮抗剂（T^D3A^D_R273Q），其具备四大优势：

1. 1.
   广谱性：中和所有测试变异株（含SARS-CoV-1），规避了变异逃逸风险；
2. 2.
   高效性：皮摩尔级亲和力与中和活性，远超单体ACE2；
3. 3.
   安全性：酶活性失活且人源 scaffold 降低免疫原性；
4. 4.
   稳定性：二硫键工程使血清半衰期显著延长，满足治疗需求。

该分子为应对当前和未来人畜共患冠状病毒威胁提供了通用解决方案，尤其适用于疫苗应答不佳的免疫缺陷人群。研究同步发表于《Communications Biology》，展现了结构生物学驱动治疗设计的强大潜力。