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基因疫苗背后的中国科学家用新技术驯服关键蛋白质以获得高效疫苗
2013年，王新泉教授与清华大学王念双教授、张教授合作，在分析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阻断MERS感染的单克隆中和抗体。“当时我快毕业的时候，正在思考博士后毕业后需要做什么。其实还是希望对整个冠状病毒领域有更深入的了解，以后会选择相关领域。”王念双说。
文章《华盛顿邮报》披露了辉瑞和现代基因疫苗到达终点的过程。记者发现，辉瑞、强生、莫德纳、诺瓦克等公司在新冠肺炎疫苗研发中使用了一项关键技术——。主设计师是来自中国的80后科学家王念双。
稳定 S 蛋白为疫苗研发提供了关键靶点
冠状病毒的尖峰糖蛋白，简称“S蛋白”，能与人细胞表面的ACE2受体结合，是介导病毒侵入细胞最重要的蛋白，也是疫苗制备的主要靶点。SARS-CoV-2中的s蛋白与ACE2受体的亲和力远高于SARS病毒，这可能是其传播能力较高的原因。
辉瑞、莫德纳等疫苗的机制是利用mRNA技术在人体细胞中产生稳定的免疫原性尖峰蛋白，训练我们的免疫系统识别病毒，刺激免疫反应。
“我们知道，包括SARS、MERS和SARS-CoV-2在内的几种高致病性冠状病毒的S蛋白极其不稳定。s蛋白本身就是一种活性构象，我们称之为融合前状态。另一种非活性构象是融合态。融合前构象的活性状态作为疫苗更好，可以刺激非常强的免疫反应。但这种状态是不稳定的，很容易变成融合构象。这导致后期相关研究阻力大，进展缓慢。我做的是用结构生物学。在尝试了数百种不同的设计后，我发现了两种脯氨酸突变可以稳定尖峰蛋白。”王念双说，“到目前为止，脯氨酸突变仍然是成功稳定S蛋白构象的唯一途径。”
王念双在实验室。照片由我提供
顺其自然选择了生物学
王念双，1986年出生于山东淄博农村。初中期间，生物成绩突出。用他自己的话说，“成绩很稳定，大概一直稳定到全市前十。”
填报志愿时，自然进入中国海洋大学，成为2005年基础班(生物化学与分子生物学专业)的一员。王念双介绍，“我当时选的是生物，没多想。我觉得我适合这个。还有，对一些生物机制感觉很有意思，想多了解一些。我仍然对深入探索生物现象的本质感兴趣，希望将来能解决一些非常复杂的问题。”
2009年，王念双以优异成绩被送到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指导下攻读博士学位。
“我开始研究冠状病毒是巧合。因为2012年MERS的爆发，我和导师王新泉教授对此很感兴趣，认为这是基础研究和应用研究中很有价值的课题。”王念双回忆道。
聚焦冠状病毒领域，始于MERS疫情
2012年9月，中东呼吸综合征(MERS)爆发，死亡率超过50%，引起全球关注。2013年3月，《自然》首次报道了MERS病毒的受体DPP4。
2013年，王新泉教授与清华大学王念双教授、张教授合作，在分析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阻断MERS感染的单克隆中和抗体。“当时我快毕业的时候，正在思考博士后毕业后需要做什么。其实还是希望对整个冠状病毒领域有更深入的了解，以后会选择相关领域。”王念双说。
同年，他关注了疫苗研究的一个重要突破：利用结构生物学手段设计呼吸道合胞病毒疫苗。这项工作的主要完成者是杰索，他在国家卫生研究院疫苗研究中心从事博士后研究
nMcLellan。《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。
