2019年12月中，中國武漢爆發了未知肺炎，2020年一月十二號中國向全世界公佈了這個後來命名為COVID-19的病毒序列 [1]。科學家們發現了COVID-19冠狀病毒與2003年在中國廣東省爆發的SARS1有高達七成以上的氨基酸序列相似度 [2]。在二月初，病毒還未擴散到其他歐美國家時，由香港科技大學的Dr. Matthew R. McKay教授的研究中指出，藉由分析舊有SARS1的免疫資料，透夠生物資資訊學的方式，找出能夠涵蓋最大族群的的抗原組，來輔助COVID-19疫苗實驗的開發 [3]。
由於COVID-19與SARS1冠狀病毒有高達七成以上的序列相似度，Dr. Matthew R. McKay教授的團隊利用多重序列比對分析SARS1, MERS, 以及COVID19的基因序列，發現COVID-19在幾個具有重要結構的蛋白：例如，棘狀蛋白（spike protein）、核殼蛋白(Nucleocapsid protein)、膜蛋白（membrane (M) protein）以及套膜蛋白（envelope membrane (E) protein）與SARS1有著76-95%的高度同源性，但COVID-19與MERS的親緣性則較遠（低於45%）。由於COVID-19與SARS1的高度相似性，作者利用Virus Pathogen Resource病毒生物資訊網站的資訊，並分析來自SARS1 冠狀病毒引起免疫反應後，B細胞所衍生的抗原決定位（epitope），發現在298筆的抗原決定位資料中，有49筆的抗原決定位序列能夠成功比對到COVID-19的結構蛋白序列上，而這49筆在COVID-19與SARS1高度同源的抗原決定位，絕大多數出自以棘狀蛋白以及核殼蛋白。
將這些49筆抗原決定位的胜肽序列投射到棘狀蛋白的立體結構中發現（圖1a）它們主要分佈於兩組區域：其一為棘狀蛋白與ACE2受體直接結合的區域（S1 subunit，圖1b），此區域的抗原決定位多為不連續片段。其二並占絕大多數的抗原決定位則位於負責病毒與宿主細胞融合的S2 subunit上 [4]（圖1c），而此區域抗原決定位為連續片段。然而，為何未被暴露在外的S2 subunit能夠成為抗原決定位而進一步被抗體辨認，作者引述相關的冠狀病毒研究指出，S2 subunit在病毒與宿主細胞的融合過程中，膜融合造成的曲度變化一定程度造成棘狀蛋白的構性變化，使得S2 subunit得以暴露出來。
Fig. 1: (a) COVID-19 棘狀蛋白的結構組成圖。(b)連續性的B細胞抗原分佈區域（紅）(c) 非連續性的B細胞抗原，主要分布在受體結合區。圖片來源： doi.org/10.3390/v12030254。
而另一方面，來自加州Scripps Research Institute 的Ian A. Wilson 教授團隊發現，在SARS1康復患者體內所發現的CR3022抗體，由於其抗體辨認的棘狀蛋白S1 subunit位置在COVID-19與SARS1有高度的同源性，其團隊得以以X-ray解出CR3022抗體與COVID-19棘狀蛋白的複合物結構（圖二）。綜合以上，當全球被籠罩在COVID-19的陰影之下，疫苗開發勢在必行，以上的研究透過過往從SARS1的生物資料，來找出同源性高的B和T細胞抗原，或許能為疫苗製作帶來曙光。
Fig. 2 (B) CR3022抗體與棘狀蛋白複合物結構（C）棘狀蛋白抗原決定位與抗體接觸的表面，青色表示為棘狀蛋白COVID-19與SARS1 同源的部分，綠色為變異的部分（C）列出了棘狀蛋白與抗體結合重要的胺基酸。圖片來源： doi.org/ 10.1126/science.abb7269。
參考文獻：
- Li, Q.; Guan, X.; Wu, P.; Wang, X.; Zhou, L.; Tong, Y.; Ren, R.; Leung, K. S. M.; Lau, E. H. Y.; Wong, J. Y.; Xing, X.; Xiang, N.; Wu, Y.; Li, C.; Chen, Q.; Li, D.; Liu, T.; Zhao, J.; Liu, M.; Tu, W.; Chen, C.; Jin, L.; Yang, R.; Wang, Q.; Zhou, S.; Wang, R.; Liu, H.; Luo, Y.; Liu, Y.; Shao, G.; Li, H.; Tao, Z.; Yang, Y.; Deng, Z.; Liu, B.; Ma, Z.; Zhang, Y.; Shi, G.; Lam, T. T. Y.; Wu, J. T.; Gao, G. F.; Cowling, B. J.; Yang, B.; Leung, G. M.; Feng, Z., Early Transmission Dynamics in Wuhan, China, of Novel Coronavirus-Infected Pneumonia. N Engl J Med 2020, 382 (13), 1199-1207.
- Zhou, P.; Yang, X. L.; Wang, X. G.; Hu, B.; Zhang, L.; Zhang, W.; Si, H. R.; Zhu, Y.; Li, B.; Huang, C. L.; Chen, H. D.; Chen, J.; Luo, Y.; Guo, H.; Jiang, R. D.; Liu, M. Q.; Chen, Y.; Shen, X. R.; Wang, X.; Zheng, X. S.; Zhao, K.; Chen, Q. J.; Deng, F.; Liu, L. L.; Yan, B.; Zhan, F. X.; Wang, Y. Y.; Xiao, G. F.; Shi, Z. L., A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature 2020, 579 (7798), 270-273.
- Ahmed, S. F.; Quadeer, A. A.; McKay, M. R., Preliminary Identification of Potential Vaccine Targets for the COVID-19 Coronavirus (SARS-CoV-2) Based on SARS-CoV Immunological Studies. Viruses 2020, 12 (3).
- Walls, A. C.; Park, Y. J.; Tortorici, M. A.; Wall, A.; McGuire, A. T.; Veesler, D., Structure, Function, and Antigenicity of the SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein. Cell 2020.
- Yuan, M.; Wu, N. C.; Zhu, X.; Lee, C. D.; So, R. T. Y.; Lv, H.; Mok, C. K. P.; Wilson, I. A., A highly conserved cryptic epitope in the receptor-binding domains of SARS-CoV-2 and SARS-CoV. Science 2020.
撰文｜邱亮源
審稿｜黃文彥
