為什麼新冠病毒疫苗極難成功？牛津大學頂尖科學家解密
2020-03-29 12：38 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客
原創 Kai 世界頂尖科學家論壇
隨著各國對新冠病毒檢測能力的提高，確診人數有井噴態勢。3月27日晚，全球累計確診罹患新冠病毒肺炎人數已突破50萬。
全球科學界正在馬不停蹄地進行藥物研發和疫苗研發，根據世界衛生組織介紹，目前全球有42種候選疫苗【相關閱讀:顯微鏡學家發表對四家疫苗公司的成分分析】正在進行臨床前的評估，有2種疫苗正在進行臨床實驗，已經是史上最快速度。
雖然疫苗被認為是預防和控制傳染病的有效手段之一，但是新冠病毒疫苗在研發上存在很大難度。日前，在應世界頂尖科學家協會（以下簡稱WLA）邀約，參与中外專家線上研討會時，牛津大學糖生物學研究所創所所長Raymond Dwek教授分享了他過去幾十年的科研經驗總結，他認為新冠病毒的「高度糖基化現象」，是疫苗研發困難的重要原因。
Raymond Dwek 教授
英國前首相撒切爾夫人科學顧問、牛津大學糖生物學研究所所長
Raymond Dwek教授認為，新型冠狀病毒中的「高度糖基化現象」，使病毒可以進行多種突變，給疫苗研髮帶來極大的難度。
Raymond Dwek教授是在3月25日，由上海市科學技術委員會發起並指導，世界頂尖科學家協會上海中心智庫與上海市生物醫藥科技產業促進中心共同主辦、比爾及梅琳達·蓋茨基金會協辦的「科技戰疫」線上國際研討會（點擊查看）上發表上述觀點的。
Raymond Dwek教授創立的牛津大學糖生物研究所是世界頂尖的生物學研究機構，他同時是牛津糖科學公司的創始科學家和非執行董事。2013年榮獲大英帝國勳章；2018年獲得以色列古里昂大學大學終身成就獎。
Raymond Dwek教授（三排左二）向中、美、英、法各國專家介紹研究情況
在當天的會議上，Raymond Dwek教授介紹了他研究艾滋病藥物時的項目經驗。35年前（1985年），英國爆發艾滋病危機，英國首相撒切爾夫人委任了科學內閣研製抗病毒藥物，Raymond Dwek教授就是12個科學家中的一位。
12位科學家們分為疫苗組和抗病毒組開展科研，前者由諾獎得主劍橋大學的一位教授指導，他們在世界範圍內建立測試中心，鼓勵公民積極發送自己的化合物進行檢測。
而Dwek教授的抗病毒組在研究階段測試了非常多的醫藥，其中也發現了不少化合物可能可以用來對艾滋病進行治療。
Dwek教授介紹：從科學家的研究中，撒切爾夫人也意識到了艾滋病病毒是「高度糖基化」的。對於疫苗開發來說，非常高程度的糖基化意味著難度的劇增。
上圖來自Dwek教授的分享，35年後，依然沒有抗HIV的疫苗研發成功，但是艾滋病已經可以用藥物來控制。
病毒是由病毒遺傳物質（RNA）和蛋白質外殼組成的，如果沒有這個蛋白質外殼，病毒就無法生存。只有完整的蛋白質外殼形成后，才能包裹住病毒RNA分泌出受感染的細胞，並再去「侵染」新的健康細胞。
糖基化 (Glycosylation) 學術上指的是蛋白質或脂質在酶的作用下被鏈接上糖鏈的過程。作為生物體內最為重要的蛋白質翻譯后修飾形式之一，糖基化調控了蛋白質在組織和細胞中的定位、功能、活性、壽命和多樣性。【1】
細胞內超過 50% 的蛋白質都修飾有糖鏈，它們參与了包括細胞識別、細胞分化、發育、信號轉導、免疫應答等在內的各種重要的生命活動。在多種疾病，如腫瘤、神經退行性疾病、心血管病、代謝性疾病、免疫性疾病及感染性疾病的發生髮展。換而言之，病毒的複製和對宿主的入侵與自身結構蛋白的糖基化修飾密切相關。【1】
正是Dwek教授為代表的科學家最早發現了病毒形成蛋白質外殼中的「糖基化現象」，因此創立了糖生物學的概念，並將糖生物學推向生命科學前沿。
新冠病毒是高度糖基化的球形顆粒，有著龐大的結構，至少有66個糖基化位點（N-linked glycan sites）。新冠病毒和2003年的SARS病毒有許多相似指出。Dwek介紹，研究顯示，SARS病毒有69個糖基化位點，其中與新冠病毒相似的位點有54個一致的。
上圖為預測的病毒蛋白質外殼上的糖基化位點，綠色為新冠病毒糖基化位點，藍色為SARS冠狀病毒的糖基化位點，可以看到高度糖基化的現象。
疫苗的原理其實是喚起人體的免疫應答來狙擊病毒，但是這些糖基化位點（一個簡單的比喻，就像「偽裝」一樣），可以幫助病毒騙過人體的免疫系統檢測，而成功地存活。
David J. Vigerust 和 Virginia L. Shepherd 在2007年的學術論文中就論述了糖基化是如何幫助病毒發揮毒力和規避人類免疫系統的檢索的。【2】
在一篇《病毒與宿主細胞的糖基化修飾及相關功能》（向田, 章曉聯，2017）的研究中，對常見的包膜病毒的糖基化位點做了對比。
研究中列出了幾種常見病毒包膜糖基化情況（參考上圖），埃博拉病毒有8-15個糖基化位點，IAV（流感病毒）有5-11個糖基化點位，HCV（丙型肝炎病毒）有4-11個糖基化點位，但是HIV則多達20-30個糖基化位點。
這些糖基化位點，對病毒有重要作用，比如流感病毒蛋白糖基化修飾對於維持病毒生命周期十分重要，丙型肝炎病毒?的 E1 和 E2 蛋白的糖基化位點可能直接參与了病毒與細胞受體的結合，這種結合對病毒粒子的入侵產生重要的影響。如果E1 和 E2 蛋白缺失后，病毒粒子入侵細胞的效率就會明顯降低。
HIV的糖基化位點是流感病毒的3-6倍，這也是後來疫苗研發遲遲無法成功的重要原因之一。而新冠病毒的糖基化位點是HIV病毒的至少2倍。Dwek教授在研討會中指出，新冠病毒這種非比尋常的糖基化程度，會讓病毒容易產生多種突變，也就是「這種結構的存在會讓我們疫苗開發變得非常困難。」
冷凍電鏡下的新冠病毒結構，紅色的點位就是糖基化位點，可以看到密度
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相比之下，藥物可能是更好的抑制病毒的辦法，也是更有希望在此次新冠病毒中突破的辦法。糖生物學所研究的製藥機理，正是要對病毒的糖基化過程進行干預，從而坡壞病毒蛋白質外殼的形成，阻斷病毒的複製。
Dwek教授團隊在過去的研究中已經研發了多款成功抑制艾滋病病毒的藥物，以及應對MERS病毒、登革熱病毒、埃博拉病的藥物。目前，Dwek教授團隊也正積極投入到抗新冠病毒的藥物研發中。
附：牛津大學糖生物學研究所
牛津大學糖生物學研究所致力於教學和生物醫學研究的最高質量。由大約850名研究人員、學生和支持人員組成，他們有著共同的激情和目標——探索、解釋和推進人類生活，有四位諾貝爾獎或突破獎獲得者。
牛津糖生物學研究所的研究有助於了解糖蛋白如何摺疊，糖蛋白如何在免疫系統中起作用以及它們如何在病毒性疾病中起重要作用。這項「純理論」研究為利用糖生物學開發新的抗病毒藥物奠定了基礎，這些病毒中的每一種都需要恰當摺疊的糖蛋白才會具有傳染性。
參考文獻
【1】周 蕾，顧建新, 《 N-糖基化位點鑒定方法和非經典N-糖基化序列》N-glycosylation sites analysis and nonconsensus N-glycosylated sequences，生命科學, 2011,23(6):606-611
【2】David J. Vigerust，Virginia L. Shepherd. Virus glycosylation: role in virulence and immune interactions. Trends in Microbiology. 15(5), pp.211-218. https://doi.org/10.1016/j.tim.2007.03.003
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【3】向田, 章曉聯《病毒與宿主細胞的糖基化修飾及相關功能》Glycosylation Modification and Related Functions of Virus and Host Cells，生物化學與生物物理進展Progress in Biochemistry and Biophysics, 2017, 44(10): 898-907，available at http://dx.doi.org/10.16476/j.pibb.2017.0214.