為什麼各廠商製造COVID-19的疫苗時,大多都視棘蛋白為敵方的重要情資?

COVID-19除了不活化病毒疫苗的系列,給予整顆不具感染力的COVID-19。
其他的疫苗們,不管是DNA、RNA,或是次單位疫苗,目前都是選用棘蛋白進行免疫演習。因為棘蛋白(spike protein是促使COVID-19進入細胞內的重要角色,如同病毒的主要攻城武器

因此,選用棘蛋白為訓練標的,為了就是要培訓免疫細胞,有效率地瓦解COVID-19敵軍的攻城系統。


我們再進一步的來了解,為何COVID-19會藉由棘蛋白,進入細胞之中?是透過什麼機制?

棘蛋白位於COVID-19病毒株的最外層結構,且為三聚體結構的醣蛋白。棘蛋白的結構分區,又可分為S1,及S2,兩單位都與輔助COVID-19進入細胞有關聯。

(A)COVID-19示意圖,外圍棕紅色凸起物為棘蛋白。圖片創作者:Alissa Eckert 、Dan Higgins ;來源: CDC。(B)棘蛋白三聚體組成的示意圖。(C)棘蛋白一個單位的示意圖。其中在棘蛋白次單位(subunit)的S1,有與ACE2的受器結合位;因此除了不活化疫苗,其他疫苗廠商多以此結合位的結構資訊,發展COVID-19疫苗。在棘蛋白的S2結構中,有被TMPRSS2的切割位。

(A)COVID-19示意圖,外圍棕紅色凸起物為棘蛋白。圖片創作者:Alissa Eckert 、Dan Higgins ;來源: CDC。(B)棘蛋白三聚體組成的示意圖。(C)棘蛋白一個單位的示意圖。其中在棘蛋白次單位(subunit)的S1,有與ACE2的受器結合位;因此除了不活化疫苗,其他疫苗廠商多以此結合位的結構資訊,發展COVID-19疫苗。在棘蛋白的S2結構中,有被TMPRSS2的切割位。


COVID-19利用以上兩種方法,又將何種情資輸入至被俘虜的細胞中?

COVID-19的正單鏈RNA(positive-sense single-stranded RNA)核衣殼蛋白(nucleocapsid)所形成的複合物──核糖核蛋白(ribonucleoprotein)

COVID-19的正單鏈RNA
COVID-19的RNA也會利用生物學的中心法則,藉由兩種方式命令俘虜的細胞,生產更多COVID-19。

  • 方式一:
    病毒的正單鏈RNA,會直接命令被俘虜的細胞提供核糖體,直接將自身的RNA所載資訊轉譯為蛋白質。所合成的病毒蛋白質,會在細胞質協助製造更多COVID-19;或組裝成COVID-19運送到細胞膜外,感染更多細胞,並勒令其作為病毒製造廠。
  • 方式二:
    藉由病毒RNA所製造的蛋白──RNA依賴性RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase,RdRp),將病毒所植入細胞中,少量正單鏈RNA,先轉成負鏈RNA。所新生的負鏈RNA為模板,再藉由RdRp大量合成病毒的正鏈RNA,增量其在細胞中的基數,以利細胞產生COVID-19的效率。此新合成的正鏈RNA也會透過核糖體,轉譯出更多的COVID-19蛋白,並組裝成新COVID-19,派出細胞外進行大規模的進攻。
    *德納西韋(remdesivir)以抑制COVID-19的RdRp,達到抗病毒的功效。

核衣殼蛋白(nucleocapsid)
核衣殼蛋白會與病毒的RNA纏繞,以穩定RNA結構。且病毒在進行轉訊或複製RNA時,其與纏繞RNA的鬆緊度,會影響任務進行的效率(纏的越緊,效率越低;反之亦然)。此外,核衣殼蛋白還有另一項功能,藉由與病毒的膜蛋白互動,參與新合成病毒的組裝任務。


延伸Q&A

Q:為何RNA病毒的突變會較高?

A:因為所參與病毒RNA複製的RdRp,沒有校正(proofreading)功能,導致新合成的RNA容錯率較高。因此,能產生多元突變的病毒RNA序列。若錯誤率不高,且主架構在可生成COVID-19的框架下,此突變RNA序列也會進行轉訊,並合成突變COVID-19。但此機制不一定都能轉訊出高致病且感染性的病毒,病毒突變後的致病性與傳染力是天擇。

Q:給予整顆不活化的病毒株做訓練免疫訓練,與僅提供棘蛋白單位參與免疫演習,有何差別?

給予越精確的棘蛋白情報,體內的免疫部隊越能通過演練,迅速的培訓特工精兵。但並非沒有弊端。若突變病毒已經改變部分進攻策略,且情資已經與疫苗提供的資訊相左,這時候的疫苗功效會降低。

給予不活化的病毒株,雖然提供的情報資訊較雜,在訓練精兵方面相較之下會略為遜色。不過也是因為有提供病毒結構的其他相關訊息,所以在面對突變性疫苗,理論上具有較高的防守彈性度。但不代表不活化的疫苗一定能培訓出,面對突變病毒的免疫特效部隊。


延伸閱讀