构象灵活性工程化改造提升人类单抗对SARS-CoV-2的广谱中和能力

SARS-CoV-2持续进化导致所有已授权单抗失效，哥伦比亚大学团队通过结构导向的抗体工程化改造，将天然抗体19-77的FR3区（Framework Region 3）R71位点突变为脂肪族氨基酸（R71A/L/V），显著增强其互补决定区（CDR）构象灵活性。优化后的抗体19-77△可高效中和全部36种测试毒株（包括XEC和LP.8.1），IC50值提升最高达147倍，为免疫缺陷人群提供了新型临床候选抗体，并开创了通过增加抗体柔性提升抗病毒广谱性的新策略。

　　

论文解读

研究背景与意义

新冠病毒（SARS-CoV-2）的持续进化已使所有临床授权单抗相继失效。随着JN.1谱系衍生出XEC和LP.8.1等最新变异株，唯一获批用于免疫缺陷人群暴露前预防的抗体pemivibart（VYD222）也面临18-28倍中和效力下降的危机。这种演变态势凸显了开发广谱中和抗体的紧迫性——数百万无法通过疫苗获得有效保护的免疫缺陷患者，亟需能应对病毒持续变异的被动免疫疗法。

研究思路与技术方法

哥伦比亚大学团队从BA.5突破感染者体内分离出具有独特遗传特征的人类单抗19-77：其重链源自IGHV3-53基因，虽具有同类抗体中最短的CDRH3（仅9个氨基酸），却携带最高频率的体细胞超突变。通过冷冻电镜解析19-77与刺突蛋白复合物结构，发现其表位与ACE2结合域重叠，而近期流行株（如HK.3的L455F/F456L、JD.1.1的A475V突变）通过空间位阻降低中和活性。研究团队采用三项关键技术突破瓶颈：

1. FoldX能量计算结合饱和突变扫描：预测FR3区R71位点突变可增强与耐药株HK.3 RBD结合；
2. 分子动力学模拟：证实R71A突变使CDR波动幅度增加（RMSF提升1.5倍）；
3. 假病毒中和平台：测试36种SARS-CoV-2变异株及类SARS冠状病毒，结合冷冻电镜解析突变抗体与耐药株RBD复合物结构。

核心研究结果

Isolation and characterization of mAb 19-77

从BA.5突破感染者记忆B细胞中分离出19-77抗体，其独特之处在于：① 重链使用IGHV3-53基因且CDRH3仅9个氨基酸（同类最短）；② 体细胞超突变频率为VH3-53/66类别中最高；③ 冷冻电镜显示其以三聚体"RBD-up"构象结合D614G刺突蛋白，通过CDRH1/H2与RBD的A475、N487等形成氢键网络。

Structural explanation for the loss of activity

表位保守性分析揭示L455、F456、A475等位点为高频突变热点。结构生物学显示：HK.3的L455F突变引起与CDRH3-P100^HC的范德华力冲突，而JD.1.1的A475V突变直接导致与CDRH1-N32^HC的立体碰撞（距离从2.0?增至3.2?），使19-77对JD.1.1完全失效（IC₅₀ >10 μg/mL）。

Optimization of 19-77

通过FoldX能量计算筛选出FR3区R71为关键优化位点。实验证实除R71K外，所有R71突变均显著提升中和广度：

• R71A/L/V使对JD.1.1的IC₅₀从>10 μg/mL降至0.033–0.058 μg/mL；
• 对当前流行株XEC中和效力提升>100倍（如19-77ΔV的IC₅₀=0.068 μg/mL vs 原始抗体>10 μg/mL）；
• 分子动力学模拟显示R71A增加CDR波动性，冷冻电镜证实结合时抗体-RBD距离增加0.91–0.99?。

Impact on other antibodies

该策略普适于VH3-53/66类别抗体：BD56-1302等5种靶向RBD class 1表位的抗体经R71A/L/V改造后，对EG.5.1、JN.1等耐药株中和能力提升3–100倍。而对照非VH3-53/66类别抗体（如C68.5929）则无显著改善。

Molecular insights into neutralization enhancement

冷冻电镜解析19-77ΔV与HK.3/JD.1.1 RBD复合物显示：

• R71V突变破坏其与CDRH1-S30/CDRH2-P53的氢键（图6c）；
• CDRH3向RBD外侧平移1?，缓解P100^HC与F455的空间冲突（距离从3.3?增至3.6?）；
• V475与N32^HC距离增至3.2?，消除A475V突变导致的位阻。

In vitro selection of escape variants

尽管19-77ΔV具有广谱