《Nature Communications》：Stringent selection drives convergence toward omicron-like SARS-CoV-2 receptor-binding motifs
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为解决SARS-CoV-2刺突蛋白受体结合基序（RBM）结合人ACE2的进化路径问题，研究者利用体外蛋白进化技术，发现严苛选择压力下，从武汉或非Omicron序列快速趋同于Omicron特征突变；温和选择则仅低频不完全筛选。该结果印证了受体结合约束的核心作用，表明Omicron RBM是人类化结合基序，具预测价值。
自2019年底新冠肺炎疫情暴发以来，SARS-CoV-2（严重急性呼吸综合征冠状病毒2）便以前所未有的速度在全球蔓延，并在这个过程中不断发生变异。在这场人与病毒的博弈中，病毒刺突蛋白（Spike protein）无疑是关键的“先锋”，它通过与人体细胞表面的血管紧张素转换酶2（ACE2，Angiotensin-Converting Enzyme 2）受体结合，从而介导病毒入侵，这是病毒感染至关重要的第一步。在刺突蛋白的受体结合域（RBD，Receptor-Binding Domain）中，有一段被称为受体结合基序（RBM，Receptor-Binding Motif）的区域，它直接与ACE2接触，是决定病毒结合能力和感染效率的核心靶点。
随着疫情的演进，SARS-CoV-2出现了多个令人瞩目的变异株，其中Omicron变异株的出现堪称疫情中的一次“地震级”事件。Omicron不仅在RBM区域聚集了大量独特的氨基酸突变，还展现出极强的传播力和显著的免疫逃逸能力，其子 lineages也呈现出井喷式涌现和“趋同演化”的特点。这不禁让科学界产生了深深的困惑：Omicron的这些特征突变究竟是如何产生的？病毒RBM在结合人类受体ACE2的过程中，到底面临着怎样的进化选择压力？为何全球SARS-CoV-2的突变趋势会最终指向Omicron样的RBM特征？这些问题不仅对理解病毒的自然演化至关重要，对于未来预测病毒走向、设计广谱疫苗和抗体药物也具有决定性的意义。
为了回答上述疑问，研究人员并没有局限于传统的流行病学追踪或临床样本回顾，而是巧妙地将目光投向了实验室——利用体外蛋白进化（in vitro protein evolution）这一强大工具，去主动探索SARS-CoV-2 spike蛋白RBM结合人类ACE2的进化轨迹。通过设定不同的选择压力环境，观察从武汉原始株或其他非Omicron变体起始的RBM序列会如何演化，并与从Omicron本身起始的演化路径进行对比，研究人员试图在受控的实验条件下，重现并解析驱动Omicron RBM出现的幕后力量。
该研究得出的结论生动而深刻：当施加严苛（stringent）的选择压力时，无论是从武汉原始株还是其他非Omicron变体蛋白编码序列开始，RBM都会迅速发生趋同进化，朝向Omicron的特征突变及其亚谱系方向演变；而在温和（mild）的选择压力下，虽然也会筛选出部分Omicron样突变，但频率较低且代表性不全。严苛选择下产生的非同义突变更少但占主导地位，精准地映射了Omicron的突变及其亚谱系内的变异。尤为有趣的是，如果直接从Omicron本身的RBM序列开始进化，其在两种压力条件下都能维持自身的定义性突变。这种在实验室试管里的进化模式，竟然与全球SARS-CoV-2的突变趋势以及计算机模拟（in silico simulations）不谋而合，强有力地强调了受体结合约束在塑造病毒适应性中的关键作用。同时，研究人员发现，主要与免疫逃逸相关的突变并未在体外进化中被选中。这表明，Omicron RBM本质上是高严苛度选择下涌现的“人类化结合基序”（humanized binding motif），它叠加在更温和的背景压力之上，是病毒为了适配人类受体而走出的必然一步。该论文发表在《Nature Communications》。
主要关键技术方法：
研究主要采用噬菌体辅助连续进化（Phage-assisted continuous evolution, PACE）系统，以人类ACE2为筛选受体，对SARS-CoV-2 Spike蛋白RBM进行体外蛋白进化。通过设置高严苛度选择（High-stringency selection, HSS）和低严苛度选择（Low-stringency selection, LSS）两种条件，分别从武汉-Hu-1参考序列、早期非Omicron变体（如Alpha、Beta、Delta相关RBM序列）以及Omicron BA.1 RBM序列起始进化。利用高通量测序（next-generation sequencing）监测进化过程中的突变动态与频率变化，并结合计算机模拟（in silico simulations）比对全球SARS-CoV-2进化树数据。
研究结果
Evolution of the RBM under stringent or mild selection starting from the Wuhan-Hu-1 reference sequence
（从武汉-Hu-1参考序列起始的在严苛或温和选择下的RBM进化）
研究人员首先从SARS-CoV-2武汉-Hu-1参考序列的RBM开始进行体外进化。结果发现，在严苛选择（HSS）条件下，RBM迅速趋同进化出一系列特征突变，这些突变与Omicron变异株及其亚谱系中的RBM突变高度吻合；而在温和选择（LSS）条件下，虽然也出现了一些Omicron样突变，但其频率较低，且未能完整代表Omicron RBM的全部特征突变。这初步表明，高强度的受体结合选择压力是驱动RBM向Omicron样突变演化的主要动力。
Convergence on Omicron substitutions from early variant RBMs under stringent selection
（在严苛选择下早期变异株RBM向Omicron替换位点的趋同）
为了验证上述发现是否具有普遍性，研究人员进一步从其他早期非Omicron变体（如含有部分RBM突变的Alpha、Beta等变体背景）起始进行严苛选择压力下的进化。结果显示，即便起始序列已含有部分RBM突变，在严苛选择下依然继续快速趋同于完整的Omicron RBM突变特征。这说明Omicron RBM的突变组合在结合ACE2的适配度上极具优势，是严苛选择下一个明确的进化吸引子。
Dominant, fewer, non-synonymous mutations under stringent selection mirror Omicron and sub-lineages
（严苛选择下显性、更少的非同义突变映射Omicron及其亚谱系）
对进化终点的测序分析表明，严苛选择压力筛选出的非同义（non-synonymous）突变数量相对较少，但这些突变在种群中占主导地位（dominant），且精确反映了Omicron及其后续亚谱系（sub-lineages）中出现的RBM突变位点和替换方式。相比之下，温和选择产生的突变更多、更分散，缺乏明显的优势克隆。这揭示了不同选择强度下病毒适应策略的差异。
Initiating from Omicron RBM maintains defining mutations under both conditions
（从Omicron RBM起始在两种条件下均维持其定义性突变）
当研究人员直接以Omicron BA.1的RBM序列作为起始序列进行体外进化时，无论是在严苛还是温和的选择条件下，Omicron的定义性突变都得到了高度的维持，几乎没有回退或大幅变动。这暗示Omicron的RBM序列在当前人类ACE2的选择 landscape（景观）中已经处于或非常接近一个高适配度的进化峰值（fitness peak）。
Parallel global SARS-CoV-2 mutation trends and in silico simulations
（与全球SARS-CoV-2突变趋势及计算机模拟的平行一致性）
研究人员将体外进化的结果与全球流行的SARS-CoV-2基因组数据进行了对比，发现体外严苛选择驱动的RBM突变趋同趋势与真实世界中病毒的全球突变趋势高度平行。此外，计算机模拟（in silico simulations）基于受体结合亲和度模型的演化预测也支持了这一现象。三者相互印证，强调了受体结合约束（receptor-binding constraints）是塑造SARS-CoV-2适应性进化的核心驱动力。
Mutations primarily associated with immune evasion are not selected by in vitro evolution
（主要与免疫逃逸相关的突变未被体外进化选中）
值得注意的是，在该体外进化系统中，由于筛选压力仅来自于RBM与人类ACE2的结合，那些在真实世界中与免疫逃逸（immune evasion）密切相关的突变并没有被富集或选中。这清晰地将“受体结合适配进化”与“免疫逃逸进化”区分开来，表明Omicron的出现主要是严苛的受体结合选择叠加在温和背景压力上的结果，而非单纯由免疫逃逸压力驱动。
研究结论与讨论
该研究通过精妙的体外蛋白进化实验，清晰地证明了严苛的选择压力会驱动SARS-CoV-2刺突蛋白RBM快速趋同进化至Omicron样特征突变及其亚谱系变异，而温和选择则仅能产生低频且不完全的Omicron样突变。从Omicron RBM本身起始的进化则在两种条件下均能维持其定义性突变，说明其已适应人类ACE2结合的高适配度状态。
研究结果与全球SARS-CoV-2的实际突变趋势以及计算机模拟高度一致，深刻揭示了受体结合约束在病毒适应人类宿主过程中的关键作用。重要的是，研究发现主要涉及免疫逃逸的突变并未在仅以ACE2结合为选择压力的体外系统中出现，这强有力地支持了Omicron RBM是源于高严苛度选择下涌现的“人类化结合基序”这一观点，它是病毒为了高效结合人类ACE2而被“塑造”出来的，随后叠加在更温和的背景压力之上。
这项工作的意义远不止于解释Omicron的起源。它展示了体外进化技术在预测病毒受体结合区突变趋势上的强大能力。通过理解病毒在受体结合层面面临的必然选择压力，科学家们可以更好地预判未来变种的进化方向，为广谱中和抗体和下一代通用疫苗的设计提供精准的理论依据与数据支撑。在病毒与人类长期共存的时代，这种能够“预见”病毒进化脚步的研究，无疑为我们构筑防御壁垒争取了宝贵的时间与先机。
