基于突变热点共现分析预测新型冠状病毒刺突蛋白高风险变异体的研究

为解决SARS-CoV-2变异株免疫逃逸和传播力增强的难题，研究人员通过共现分析刺突蛋白（S蛋白）突变热点，结合分子对接和量子力学计算，预测出S494P和V503I为高风险变异体。实验证实，Delta-S494P和Delta-V503I假病毒（PV）在A549细胞中的感染效率显著提升。该研究为早期预警变异株及疫苗设计提供了新策略。

　　

新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的持续变异给全球公共卫生带来巨大挑战，尤其是刺突蛋白（S蛋白）的突变可能导致病毒逃逸免疫系统或增强与宿主受体hACE2的结合能力。世界卫生组织（WHO）已关注到Alpha、Delta和Omicron等高传播力变异株的出现，但如何预测未来可能引发疫情的高风险变异体仍是未解难题。

为解决这一问题，研究人员开发了一种基于突变热点共现分析的统计方法，结合计算模拟和实验验证，预测并鉴定高风险变异体。研究团队从GISAID数据库获取了超过200万条S蛋白序列，通过Pearson相关性分析和聚类算法，筛选出与已知高传播力变异株（如Delta和Omicron）突变高度协同的位点。分子对接和片段分子轨道（FMO）计算预测了变异体与hACE2的结合亲和力，并通过假病毒（PV）系统在A549细胞中验证了感染效率。

关键技术方法
研究采用多序列对齐分析突变频率，使用AlphaFold2预测蛋白结构，通过PIPER进行蛋白-蛋白刚性对接，并利用FMO计算结合能。实验部分使用假病毒包装系统（含psPAX2和pMD2.G质粒）感染A549细胞，通过荧光显微镜和RT-qPCR定量病毒RNA拷贝数。

研究结果

1. 突变热点相关性分析
   聚类分析发现S494P和V503I与Delta变异株的L452R等关键突变高度协同（R>0.98），提示其潜在高风险性。

2. 结合亲和力预测
   Delta-S494P和Delta-V503I的FMO计算显示结合能分别提升至-185.3和-182.7 kcal/mol，显著高于Delta原型（-178.5 kcal/mol）。双突变体Delta-S494P-V503I的结合能（-196.2 kcal/mol）接近Omicron变异株水平。

3. 假病毒感染实验
   荧光成像和RT-qPCR证实，Delta-S494P和Delta-V503I假病毒的GFP表达量和病毒RNA拷贝数较Delta原型提高2-3倍（p<0.0001），表明其感染效率增强。

结论与意义
该研究首次通过共现分析锁定S494P和V503I为潜在高风险变异体，其机制可能涉及S494P诱导的RBD结构柔性和V503I的疏水作用增强。假病毒实验验证了计算预测的可靠性，为快速评估变异株风险提供了安全高效的技术路径。尽管该研究未涉及真实病毒复制和免疫逃逸实验，但其整合生物信息学与实验验证的策略，对未来疫苗更新和药物研发具有重要指导意义。论文发表于《Heliyon》，为全球抗疫提供了前瞻性研究范例。