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在抗擊新冠疫情方面，中國科學家的力量越來越不容忽視。《華盛頓郵報》近期發文揭秘了輝瑞和 Moderna 的 mRNA 疫苗達到終點的過程。

圖 | 《華盛頓郵報》的相關報道（來源：受訪者）

在輝瑞/ BioNTech、以及 Moderna 兩款新冠疫苗研發中，均用到了一項關鍵技術——通過添加兩個脯氨酸突變穩定冠狀病毒刺突蛋白（S-2P），其主要設計者為王年爽，一位來自中國的科學家。

他告訴 DeepTech：“直到目前為止，脯氨酸突變這種方式仍然是能成功穩定 S 蛋白構象的唯一方法。”

圖 | 王年爽（來源：受訪者）

冠狀病毒的刺突糖蛋白，簡稱“ S 蛋白”，能結合人細胞表面的受體 ACE2 ，是介導病毒入侵細胞的最重要蛋白，也是制備疫苗的主要靶標。新冠病毒中的 S 蛋白與 ACE2 受體親和力遠高于 SARS 病毒，是其具備更高傳播能力的一個可能原因。

圖 | 新冠病毒的 S 蛋白與人體 ACE2 受體有很高的親和力

然而，包括 SARS、MERS 在內的幾種高致病性冠狀病毒的 S 蛋白都極不穩定，后期相關研究阻力很大，進展緩慢。王年爽等科學家在穩定 S 蛋白方面的成果，對此后的一系列基礎研究以及疫苗和藥物研發等奠定了基礎。

長期積累是迅速做出反應的基礎，2020 年 2 月疫情爆發后不久，王年爽和他所在的美國德克薩斯大學奧斯汀分校 Jason McLellan 團隊的同事們迅速采用冷凍電鏡 Cryo-EM 技術，解析出了穩定化的新冠病毒 S 蛋白結構，這也為此后新冠診斷試劑、疫苗和藥物的研究提供了關鍵信息。

圖 | 新冠病毒 S 蛋白結構圖

mRNA 疫苗技術和穩定化 S 蛋白技術的結合達到了 1+1＞2 的效果。美國兩款 mRNA 疫苗以如此快的速度研發成功，有很強的象征意義。王年爽稱這是 mRMA 疫苗技術經歷長時間沉淀之后令人驚艷的成功登臺，也是“結構指導疫苗設計”這一全新概念在十年多嘗試之后真正首結勝果。

事實上，S-2P 應用不局限于 mRNA 疫苗，還在其他種類的疫苗開發中發揮作用，包括 Novavax 的重組蛋白疫苗、強生的腺病毒疫苗等。這一 2016 年設計的手段簡便易行，并且針對多種冠狀病毒有效。其在提高蛋白結構穩定性和疫苗的免疫原性等方面的重要作用，都已在針對新冠的疫苗的開發中得到了驗證。

疫情爆發以后，王年爽所在的 McLellan 實驗室，在短時間內向全球十多個國家的 100 多家研究機構或公司提供了新冠版本的 S-2P 的質粒或蛋白，這大大推進了全球針對新冠病毒的研究以及抗體和藥物的開發，這其中也包括禮來已經批準緊急使用了抗體。未來這一技術還將繼續指導更多抗疫“武器”的開發。

王年爽最初開始研究冠狀病毒是在 2013 年。

2012 年 9 月，中東呼吸系統綜合征（MERS）疫情爆發，致死率 50% 以上，引起了全球范圍內的廣泛關注。2013 年 3 月份，Nature 首先報道了 MERS 病毒的受體 DPP4 。隨后，王年爽在他的導師，清華大學王新泉教授的指導下展開了對 MERS 病毒入侵細胞機制的研究。

同年 7 月，他們的研究結果在 Cell Rearch 上發表，報道了 MERS 病毒表面 S 蛋白受體結合區與人體 DPP4 受體結合物的高分辨率晶體結構。

此后，他們與清華大學醫學院張林琦教授實驗室合作，成功篩選出了 2 株針對 MERS 病毒 RBD 具有高效中和能力的抗體，這也是全球首次報道 MERS 病毒的人源單克隆中和抗體。

王年爽在成功完成這些研究的過程中，在針對傳染病的結構和抗體研究等方面都有了一定積累。他也基本確定了此后堅持多年的研究思路，就是把結構生物學的手段應用到病毒學的研究方面，并且希望可以推動疫苗、藥物的開發。

幾乎同期，在大洋的另一端，美國國家過敏和傳染病研究所疫苗研究中心（VRC）的 Barney Graham 和 Peter Kwong 正在領導一項針對呼吸道合胞病毒（RSV）疫苗的研究。博士后研究員 Jason McLellan 設計的穩定化的 F 蛋白在小鼠和非人類靈長類動物身上引起了高水平的中和抗體，并保護其免受呼吸道合胞病毒（RSV）感染。這項成果引發了廣泛關注，因為此前的半個多世紀里，所有 RSV 疫苗研發都以失敗告終。

這也是科學家首次用結構生物學的手段指導疫苗設計并開發出候選疫苗。這種設計的突破點在于,用結構生物學的手段把抗原蛋白穩定在活性構象，從而激發更高效更持久的免疫反應，后來該成果成功入選當年 Science 十大科技進展。

圖 | 2019-nCoVS 和 SARS-CoVS 的結構比較

用新技術革新疫苗的研發模式這一理念，也成為推動王年爽之后多年研究的指導思想。這也促使他在 2014 年博士畢業后，加入了 Jason McLellan 在達特茅斯學院新成立的實驗室。

加入 McLellan 實驗室之后，其延續了之前在 MERS S 蛋白上的研究，這次他的著力點在全長 S 蛋白，并試圖通過設計突變穩定 S 蛋白的活性構象。

王年爽介紹說，S 蛋白一開始呈現蘑菇構象。“帽子”負責識別受體，而“柄”的部分負責在侵染中提供推動力。“柄”中有一個類似彎折的“臂力棒”的結構，在侵染的過程中，會發生構象的變化，就像臂力棒彈開。彈開的能量可以推動侵染這一過程。

彎折的“臂力棒”存在于活性構象中（或稱融合前構象），直接導致了 S 蛋白的不穩定。加入脯氨酸突變的目的就是要加固這個彎折的臂力棒，阻止其彈開。這樣就增加了 S 蛋白活性構象的穩定性，從而推動后續疫苗、藥物的研發。

原理說起來簡單，實施的過程卻充滿了艱辛。因為“結構指導疫苗設計”是一個全新領域，幾乎沒有前人研究結果可以借鑒，起始階段甚至沒有任何冠狀病毒的S蛋白結構被解析。在前期實驗中，王年爽幾乎窮盡了所有的方法。

最初的一年多時間里（前兩個階段），前后摸索嘗試了 500 多個質粒的構建和表達，用盡了各種手段，比如截短、去酶切位點、三聚化、中和抗體穩定構象等。經歷各種挫折之后，他發現一株靶向 S2 的中和抗體在與 S 蛋白共表達的時候，可以通過穩定 S 蛋白構象將其表達量提升數十倍。這給了他極大的信心。這證明 S 蛋白構象的改變是導致低表達量和低穩定性的主要原因。通過突變穩定 S 蛋白構象這條路是可行的。

“沒有結構，就無從下手”。在第三階段，王年爽和 Barney Graham 實驗室的同事們把目標轉向了可以引發普通感冒的冠狀病毒 HKU1，同時與 Scripps 研究所的 Andrew Ward 實驗室進行合作并解析了 HKU1 的 S 蛋白結構。這一結構的解析提供了結構模板，可以相對精確的針對 MERS 的 S 蛋白設計突變。

此后，又經過了近一年的嘗試。他采用了在結構中填充疏水空腔、加二硫鍵、刪除不穩定區、脯氨酸突變等方案，嘗試了 100 多種突變后，才最終換來脯氨酸突變的成功。把兩個輔氨酸疊加之后會進一步提升 S 蛋白的穩定性，他們把這一設計稱為 S-2P。

令王年爽意想不到的是，就是這一歷盡艱辛、頗具奠基性意義的研究結果，在尋求發表時，卻被潑了冷水——連續有 5 份全球頂級權威期刊拒稿。

2016 年，MERS 疫情已經逐漸銷聲匿跡，SARS 病毒也沒有卷土重來的跡象，冠狀病毒領域的研究成果的價值被嚴重低估了，主要研究方向成了 “冷門”。王年爽意外之余并沒有放棄，并且堅信這是一個重要的研究領域。

“最開始就感覺這個研究課題很有價值。”回憶起當時的情況，他這樣說。

一方面來看，短短十幾年里，高致病性的冠狀病毒已經爆發過兩次了。據此可以推斷，未來另一種新型冠狀病毒爆發的可能性是非常高的；

另一方面，冠狀病毒研究遠遠落后于其他病毒，比如 HIV、流感等，在當時還沒有疫苗或藥物。雖然科學家已經發現了 S 蛋白在病毒感染人類中發揮的作用，但是其相關研究遠遠落后。因為不穩定，在基礎研究和產業化方面的難度都很大。

王年爽認為，這一領域的研究，“不止是科研本身的價值，如果研究成功了還可以指導疫苗和藥物研發，挽救生命，也很有社會價值”。也正是因為這樣，他在這一領域堅持了 7 年之久。

令人欣慰的是，王年爽設計的突變，在發表后的三年時間里，在冠狀病毒研究領域內逐漸得到了認可，也開始被同行采用并取得了不錯的結果。同時發表在頂級期刊上的綜述文章也獲得了很高的評價。這也為后面抗擊新冠疫情打下了基礎。

圖 | 王年爽發表在 Science 的論文

新冠疫情爆發之后，除了對疫苗研發的指導，S-2P 蛋白也廣泛用于血清檢驗、中和抗體篩選和結構研究中。王年爽告訴 DeepTech，目前多數新冠中和抗體的篩選是以 S-2P 為抗原的；S 蛋白穩定后，也使得針對全長 S 蛋白與抗體和小分子的復合物的結構研究成為可能。而這些研究，對于預測免疫反應的特征，預測病毒突變，提高抗體活性等方面，都非常重要。

在基礎研究方面，McLellan 實驗室又設計出了 S-6P，也就是具有 6 個脯氨酸突變的 S 蛋白。這是一種更加穩定的 S 蛋白結構，且表達量進一步提升了幾十倍。還將助力更多藥物、疫苗研發。

按照企業的產能計劃，mRNA 疫苗年產可以達到數十億劑。這一技術的優缺點也一直是全球關注的熱點，對此，王年爽認為，這技術最大的優勢在于把醫學免疫的問題轉化成了生化技術問題。這使得解決問題的手段也不同于以往，醫學免疫學問題面臨的挑戰往往很難解決，生化技術卻有很多的解決手段。

2020 年 11 月，McLellan 參與開發的 RSV 疫苗，也已進入三期臨床。這些都在印證 “結構指導疫苗開發” 理念的正確性。

從論文被拒到受到研究理念獲得廣泛認可，回顧整個過程，王年爽感嘆，全球對傳染病研究長期忽視，這一領域處于“雞肋”的位置，研究遠遠不夠，才導致了疫情爆發后的措手不及。新冠疫情是一記警鐘。

對于基礎研究，無論是國內還是國外，科學研究不能過于關注一時的“熱點”，也要把眼光放長遠一些。前人走通的路，發文章當然更加容易，但是做一些必要的奠基性研究，對未來更有實際意義。對于這些研究者，他建議考核方法也能把眼光放長遠，而不要只以論文論英雄。

在國外鋪天蓋地關于美國兩款疫苗的報道中，王年爽的貢獻因為中國人的背景往往被有意無意地 “忽視”。不過，中國力量已經越來越無法忽視。王年爽在接受 DeepTech 專訪時也提到，雖然中國的生物醫藥產業與美國仍然有差距，但是過去 10 年，中國生物制藥領域發展很快，走了美國 30 年的路，未來 10 年也許會產生類似華為的大公司。

如今，王年爽已經到跨國生物制藥企業工作，希望能促進更多成果轉化，趨向產業化發展。他表示，某個合適的時機，還是想回國推動中國生物醫藥的產業化，釋放自己的能量。

這位本科畢業于中國海洋大學、PhD 畢業于清華大學、離開中國已經 7 年的科學家，時刻關注著中國的發展。下一個 7 年，他將在哪里？時間會為我們揭曉。

圖 | 2014 年王年爽從清華畢業時的照片

事實上，在政策鼓勵藥械創新的背景下，旅美科學家回國施展抱負的例子已經越來越多。其中包括 2020 年 10 月宣布出任信達生物集團總裁的著名生物醫藥科學家劉勇軍博士，百濟神州創始人之一王曉東博士等。等待王年爽等新一代科學家們的，將是更廣闊的舞臺。