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Cryo-ET解析IgG双价结合新冠病毒刺突蛋白的结构机制与亲合力效应
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Cryo-ET，即冷冻电镜断层成像（cryo-electron tomography），是融合冷冻电子显微技术与三维重构算法的前沿结构生物学研究手段，可在原位生理环境下解析生物样品的三维结构，在结构生物学研究中能够解答诸多独特且关键的科学问题： 1）提供纳米级分辨率的完整生物背景信息，清晰呈现生物大分子在天然环境中的拷贝数、分布规律及分子间相互作用； 2）直观展示天然原位状态下的生物精细结构； 3）依托三维原始数据优势，为解析柔性超大分子复合物结构提供可行路径； 4）结合光电联合成像、聚焦离子束减薄等技术，实现跨尺度高分辨成像，甚至可从生物组织中获取纳米级三维结构信息。 当前结构生物学领域仍存在大量仅能通过 Cryo‑ET 解答的科学难题，凭借广阔的应用前景与巨大的拓展空间，Cryo‑ET 被誉为结构生物学的未来核心技术。 研究核心内容 本文研究利用冷冻电子断层扫描（cryo-ET） 解析IgG 双价结合在新冠病毒（SARS-CoV-2）表面的结构机制，证实强效抗体P17与S309可借助刺突蛋白（S-trimer）的动态流动性，形成多样化的刺突‑IgG 二聚体复合物，并分别组装为线性聚集体与环状/晶格状聚集体；两种抗体均能高效激活补体级联反应，并通过双价结合介导病毒颗粒间偶联（约占总结合事件的5%），最终从结构层面阐明 IgG亲合力（avidity） 增强病毒中和的核心原理，为抗体工程与疫苗设计提供关键结构依据。 一、研究背景与目的 IgG是血浆中含量最丰富的抗体，在囊膜病毒的识别、中和、免疫清除方面发挥关键作用，双价结构可通过亲合力效应显著增强包膜病毒中和能力，但长期以来，受IgG分子自身柔性与囊膜病毒天然多形性的制约，既往X射线晶体学及单颗粒冷冻电子显微镜研究通常仅聚焦于Fab片段与病毒糖蛋白胞外段的结合，始终没有明确 IgG抗体如何在真实囊膜病毒表面实现二价结合。本研究利用冷冻电子断层扫描技术（cryo-ET）和亚断层平均法（STA），阐明了两种强效抗RBD中和性IgG抗体P17和S309与病毒表面三聚体SARS-CoV-2刺突蛋白的结合机制，为抗体工程和疫苗研发提供了宝贵见解，尤其在优化表位呈递及多聚化策略以增强免疫反应方面具有重要指导意义。 二、IgG 二价结合的直接结构证据 研究团队首先解析了强效中和抗体P17在完整病毒上的作用模式。cryo-ET 结果直观显示P17-IgG 能够二价结合病毒膜上相邻的两个 S 蛋白，实现跨刺突桥联。通过子断层平均法，团队首次获得了抗体同时结合两个 S 蛋白的稳定复合物结构，为 IgG 在天然病毒上实现二价结合提供了首个直接结构证据。 研究还发现，P17-IgG 并非只有一种结合方式，而是在病毒表面形成多种二价结合模式，并以此为基础进一步组装成更高阶的复合物。 三、IgG 抗体驱动新冠病毒表面结构重排 对完整病毒颗粒的重构结果显示，凭借 IgG 的柔性和 S 蛋白在膜上的动态摆动特性，P17-IgG 可快速募集并桥联多个 S 蛋白，在病毒表面形成线性排列的高阶组装体。 这意味着，抗体二价结合不只是分子间的简单连接，更能重塑病毒表面结构，从空间构象上强化对病毒的封锁与中和。 四、IgG 的二价结合机制的普遍性验证 为证明这一机制并非特例，团队进一步研究了广谱中和抗体S309。结果证实：S309-IgG 同样可以实现跨刺突二价结合。与 P17 形成的线性结构不同，S309 更倾向于让 S 蛋白形成环状、多边形高阶组装，且各环状结构可进一步相互连接，在囊膜上延展形成片状排布。更重要的是，线性结构和环状结构都能高效激活补体系统，启动免疫杀伤通路。这说明抗体诱导的空间排布方式，是调控免疫效应的关键因素。 五、IgG 抗体介导的跨病毒颗粒聚集 除了在单个病毒表面桥联 S 蛋白，两种抗体还展现出更强大的能力：P17-IgG 和 S309-IgG 均可桥联不同病毒颗粒上的 S 蛋白，让多个病毒聚集成团。 尽管这种跨病毒结合比例不高，但它能显著提升免疫系统对病毒的识别与清除效率，实现 “抱团围剿”。 六、功能学验证 为验证二价结合的真实威力，研究团队对比了完整 IgG 抗体与单臂 Fab 片段的中和活性。 数据结果极具震撼力： • P17-IgG：IC50 = 0.016 nM • P17-Fab：IC50 = 4.699 nM • 完整抗体的中和效力，比单臂片段强近 300 倍 这一结果直接证明：IgG 的 “双臂协同”二价结合，是强效抗病毒的核心关键。 七、研究总结 该研究系统阐明了 P17、S309 两种抗体通过亲合力效应实现二价结合、驱动高阶组装的分子机制，首次建立了IgG 抗体亲合力的完整结构框架，为抗体药物优化与疫苗设计提供了全新理论指导。 达远辰光Cryo-ET技术服务平台 达远辰光有着计算化学博士与冷冻电镜技术专家团队支持，提供专业的蛋白结构与功能解析服务，是目前国内唯一提供成熟Cryo-ET商业化服务的公司。不仅如此，业务版图还涵盖膜蛋白表达纯化、计算化学及计算生物学分析，构建「湿实验+干计算」一体化服务体系。结合不同研究方向、样品类型与实验目标，提供高度定制化技术方案，贯穿样品前处理、原始数据收集、高阶结构解析全流程，为各类生命科学研究与药物靶点开发，提供稳定、可靠、专业化的技术支撑。 参考文献： Hong Y, Song Y, Zhang Z, et al. Cryo-Electron Tomography: The Resolution Revolution and a Surge of In Situ Virological Discoveries[J]. Annual review of biophysics, 2022. DOI: 10.1146/annurev-biophys-092022-100958. Yao, H., Song, Y., Huang, Q. et al. Cryo-ET of IgG bivalent binding on SARS-CoV-2 provides structural basis for antibody avidity. Nat Commun (2026).; DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-71631-5. |
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