mRNA疫苗背后的中国科学家 用新技术驯服关键蛋白成就高效疫苗|达特茅斯学院
2013年，王新泉教授带着王年爽和清华大学张林琦教授实验室合作，在解析MERS冠状病毒入侵细胞机制的基础上，进一步筛选出世界上首个能够阻断MERS感染的单克隆中和抗体。“当时我临近毕业，就在想我博士后需要做什么，其实还是希望对整个冠状病毒领域，能够有一个更深入的了解，准备以后的方向还是选相关领域。”王年爽说。
《华盛顿邮报》文章披露辉瑞和Moderna的 mRNA 疫苗达到终点的过程，记者从文中发现，在辉瑞、强生、Moderna、Novavax等多家公司的新冠疫苗研发中，均用到了一项关键技术——通过添加两个脯氨酸突变稳定冠状病毒刺突蛋白，其主要设计者为王年爽，一位来自中国的80后科学家。
稳定 S 蛋白为疫苗研发提供了关键靶点
冠状病毒的刺突糖蛋白，简称“ S 蛋白”，能结合人细胞表面的受体 ACE2 ，是介导病毒入侵细胞的最重要蛋白，也是制备疫苗的主要靶标。新冠病毒中的 S 蛋白与 ACE2 受体亲和力远高于 SARS 病毒，是其具备更高传播能力的一个可能原因。
辉瑞、Moderna等疫苗的机制是利用mRNA技术在人自身细胞内制造稳定且免疫原性强的刺突蛋白，训练我们的免疫系统识别病毒，从而激发免疫反应。
“我们知道SARS、中东呼吸综合征冠状病毒（MERS）、新冠病毒在内的几种高致病性冠状病毒的 S 蛋白都极不稳定。S蛋白本身是一个活性的构象，我们称它叫融合前的状态。还有一个非活性的构象就是融合后的状态。融合前构象的活性状态，是做疫苗比较好的，它能激发非常强的免疫反应。但是这个状态是不稳定的，它很容易就变到了一个融合后的构象。这就导致后期相关研究阻力很大，进展缓慢。而我做的就是利用结构生物学，在尝试上百种不同的设计之后，找到了两个可以稳定刺突蛋白的脯氨酸突变。”王年爽表示，“目前为止，脯氨酸突变这种方式仍然是能成功稳定 S 蛋白构象的唯一方法。”
王年爽在实验室。本人供图
顺其自然选择了生物学
王年爽1986年出生在山东淄博农村。初高中期间生物学的成绩很突出，用他自己的话说是“成绩很稳定，大概总能稳定到全市前十。”
填报志愿时，他自然而然进入中国海洋大学，成为2005级基地班（生物化学与分子生物学专业）的一员。王年爽介绍，“当时选择了生物学，其实也没有想特别多，感觉自己适合干这个。还有就是对生物的一些机制感觉特别好玩，想深入了解多一点。本身对深入探究生物现象的本质还是有一点兴趣的，未来希望解决一些非常复杂的问题。”
2009年，王年爽以优异的成绩保送进清华大学生命科学学院结构生物学中心，在清华生命学院副院长王新泉教授的指导下攻读博士学位。
“我最开始研究冠状病毒，是有些机缘巧合的，是因为2012年MERS的爆发，我和我的导师王新泉教授对此非常感兴趣，认为这是一个在基础研究和应用研究上都非常有价值的课题。”王年爽回忆道。
聚焦冠状病毒领域，始于MERS疫情
2012 年 9 月，中东呼吸系统综合征（MERS）疫情爆发，致死率 50% 以上，引起了全球范围内的广泛关注。2013 年 3 月份，Nature 首先报道了 MERS 病毒的受体 DPP4 。
2013年，王新泉教授带着王年爽和清华大学张林琦教授实验室合作，在解析MERS冠状病毒入侵细胞机制的基础上，进一步筛选出世界上首个能够阻断MERS感染的单克隆中和抗体。“当时我临近毕业，就在想我博士后需要做什么，其实还是希望对整个冠状病毒领域，能够有一个更深入的了解，准备以后的方向还是选相关领域。”王年爽说。
同年他关注到了疫苗研究领域的一项重要突破：用结构生物学的手段设计呼吸道合胞病毒疫苗。这项工作的主要完成人是当时尚在NIH疫苗研究中心从事博士后研究的Jason McLellan。
《科学》杂志把这一成果列为当年十大科学突破之一，这为王年爽的博士后研究指明了方向。用新技术革新疫苗的研发模式这一理念，也成为推动王年爽之后多年研究的指导思想。这也促使他在 2014 年博士毕业后，加入了 Jason McLellan 在达特茅斯学院新成立的实验室。
“当时知道他在达特茅斯刚刚成立实验室，就想加入他的实验室了。当时还有很多其他的机会，但我知道“结构指导疫苗设计”就是我想做的，然后就一直坚持了，一直做了6年左右。”王年爽感叹道。
研究员王年爽和其他实验室成员在德克萨斯大学奥斯汀分校实验室。本人供图
艰辛的努力换来成功
王年爽和团队研发的经历也并非一帆风顺。冠状病毒S蛋白比较大，而且非常不稳定，该领域进展缓慢阻力重重，起始阶段甚至没有任何冠状病毒的S蛋白结构被解析。
王年爽回忆起刚开始的几年，“其实研究过程是很枯燥的，任何一点小细节的失误，都会造成实验的失败，在前期实验中，我们试用了各种各样的传统的方法，很多时候都是同时做20个30个不同的设计，然后试图能够稳定S蛋白，但是绝大部分都是没有任何效果的。后来我们就慢慢地积累更多经验，最终找到针对S2的一个中和抗体，能够帮助我们稳定S蛋白，包括后来又解析了结构的模型之后，再进行突变就容易很多。在这基础上又添加了100多种不同的突变类型，最终发现这两个脯氨酸突变其实经历了重重困难。我们把这一设计称为 S-2P。”
谈到当时感受，王年爽说，“工作量很大，很枯燥，还要足够耐心细致。但我始终觉得，肯定有一种方案是可行的。最终事实也证明，整个研究的方向是正确的。”
曾被 5 家顶级权威期刊拒稿
令王年爽意想不到的是，就是这一历尽艰辛、颇具奠基性意义的研究结果，在寻求发表时，却被 5 家全球顶级权威期刊拒稿。
2016年对于王年爽来说非常的困难。“当时心情还是很痛苦的，在科学界拒稿是很正常的事情，但是拒绝5次是很少见的。”王年爽解释到，“这项技术是针对2012年暴发的MERS病毒，但是在2016 年，MERS 疫情已经销声匿迹，科学界对冠状病毒的研究的热情大大降低。另外，结构指导疫苗设计的技术在整个领域并不是很受认可，大家普遍没有意识到这项技术真正的价值。”
主要研究方向成了“冷门”。王年爽并没有放弃，并且坚信这是一个重要的研究领域。“最开始就感觉这个研究课题很有价值。”回忆起当时的情况，他这样说。“不止是科研本身的价值，如果研究成功了还可以指导疫苗和药物研发，挽救生命，很有社会价值”。也正是因为这样，他在这一领域一直坚持了下来。
经过一年的努力，文章才终于在2017年8月发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS，Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。
令人欣慰的是，王年爽设计的突变，在发表后的三年时间里，在冠状病毒研究领域内逐渐得到了认可，也开始被同行采用并使用该技术把文章发表到了Cell，Nature Structural & Molecular Biology等期刊。同时发表在Cell，Annual Review of Medicine等顶级期刊上的综述文章也给与了很高的评价。并且在2017年Moderna就开始使用这一技术设计MERS病毒疫苗。这些都为后面抗击新冠疫情打下了基础。
新冠疫情暴发，“结构指导的疫苗设计”从概念走向实用的产品
2020 年 2 月，新冠疫情暴发后不久，王年爽和他所在的美国德克萨斯大学奥斯汀分校 Jason McLellan 团队的同事们迅速采用冷冻电镜 Cryo-EM 技术，以最快速度解析出了稳定化的新冠病毒 S 蛋白结构，这也为此后新冠诊断试剂、疫苗和药物的开发提供了关键信息。
王年爽表示，新冠暴发之后，科学界快速应对。Moderna、强生疫苗的动物实验也验证了S-2P在提升S蛋白稳定性和免疫原性方面的巨大优势。S-2P迅速应用到多个新冠疫苗的研发当中。其中辉瑞/BioNtech以及Moderna的mRNA疫苗经历了不到一年的研发正式批准使用，这也意味着“结构指导的疫苗设计”首次从概念推向真正实用的疫苗产品。
事实上，S-2P 应用不局限于 mRNA 疫苗，还在其他种类的疫苗开发中发挥作用，包括Novavax的重组蛋白疫苗、强生的腺病毒疫苗等。另外，S-2P 蛋白也广泛用于血清检验、中和抗体筛选以及小分子药物研发当中。
谈及自己的研发技术被广泛应用，王年爽表示，“一切的付出都是值得的，就感觉像做梦一样，从噩梦到一个特别好的梦。”
希望疫情能推动整个疫苗技术的升级换代
mRNA 疫苗技术和稳定化 S 蛋白技术的结合达到了 1+1>2 的效果。美国两款 mRNA 疫苗以如此快的速度研发成功，有很强的象征意义。2020 年 11 月，McLellan 参与开发的 RSV 疫苗，也已进入三期临床。这些都在印证“结构指导疫苗开发”理念的正确性。
疫情爆发以后，王年爽所在的 McLellan 实验室，在短时间内向全球十多个国家的 100 多家研究机构或公司提供了新冠版本的 S-2P 的质粒或蛋白，这大大推进了全球针对新冠病毒的研究以及抗体和药物的开发，这其中也包括礼来已经批准紧急使用了抗体。
“新冠病毒带来的灾难是历史性的，可能是百年不遇的。同时，它对于技术革新的促动也是一个百年不遇的机遇，我们希望新冠疫苗研发的一些技术，能够全球共享，推动整个疫苗技术的升级换代。”王年爽说。
“新冠之前很多针对传染病的研发，都陷于停滞的状态，特别不被重视。事实上，我们现在使用的流感疫苗是诞生在将近一个世纪以前，我不希望让我们的子孙后代使用和我们太爷爷那一辈一样的疫苗。”王年爽感叹道。“但要将科学理论转化为现实的应用，这比许多人想象的要困难得多。”
谈到mRNA疫苗，他也说，“mRNA疫苗是另一个技术进步改变社会的例子，但未来应不会是唯一的终结者，更不足以解决一切问题。更好的疫苗有赖于全球免疫学家的深度参与。”
如今，王年爽在一家跨国生物制药企业工作，希望能促进更多成果转化，趋向产业化发展。他表示，某个合适的时机，还是想回国推动中国生物医药的产业化，释放自己的能量。
责任编辑：薛永玮