Omicron变异株病毒学特征：关键突变、致病性、免疫逃逸

陈玉清，李金明

1北京医院 国家老年医学中心 国家卫生健康委临床检验中心 中国医学科学院老年医学研究院，北京 1007302国家卫生健康委临床检验中心/北京协和医学院/中国医学科学院，北京 100730

由新型冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2)引起的COVID-19疫情对全球公共卫生安全和全球经济造成了前所未有的灾难性影响。根据世界卫生组织(World Health Organization，WHO)统计，截至2023年5月3日，全球累计确诊病例数已超7.6亿，超692万人死亡[1]。病毒在传播和感染过程中不断发生适应性进化及变异，相继出现多种具有选择性优势的变异毒株。根据病毒传播的难易程度、相关疾病的严重程度、对检测分析的影响、免疫逃逸的程度、治疗药物的敏感性等因素，WHO提出需关注的变异株和需留意的变异株两大分类[2]。2021年11月11日，Omicron首次在博茨瓦纳被发现，随后南非多地检出该变异株。WHO于2021年11月26日将其归类为继Alpha(B.1.1.7)、Beta(B.1.351)、Gamma(P.1)和Delta(B.1.617.2)之后的第5个变异株。之后，Omicron变异株BA.1亚型迅速取代其他变异株成为优势流行毒株，并在全球多个国家和地区传播，对公共卫生构成了明显威胁[3]。越来越多的证据表明，Omicron变异株的受体结合域(receptor-binding domian，RBD)与人类血管紧张素转换酶2(angiotensin-converting enzyme 2，ACE2)的受体亲和力增强导致病毒传播能力增强，与先前变异株相比，病毒复制能力减弱导致在COVID-19患者中引起的症状相对较轻。此外，该变异株具有较高的环境稳定性[4-5]，病毒基因组的突变赋予其对大多数治疗性抗体的抵抗特性，在动物模型中降低了诱导免疫反应的能力，且可能逃脱康复患者或接种疫苗者体内抗体的中和作用[6]。Omicron变异株的快速传播与SARS-CoV-2感染人数的突然增加有关，在全球许多国家引发了第四波疫情[7]。2021年底，在丹麦、南非和印度等国的感染患者中发现了Omicron的另一谱系BA.2。研究表明，BA.2的传染性比BA.1高30%，其具有选择性优势，但不会引起更严重的疾病[8]。另外，Omicron的新谱系不断出现。2022年4月起，BA.4和BA.5在南非迅速取代BA.2，占测序病例的50%以上[9]。本文基于已发表的Omicron变异株研究，总结分析BA.1、BA.2、BA.3、BA.4、BA.5及其后代谱系的病毒学特征，以期为完善疫情防控策略和公共卫生举措提供科学参考。

1 Omicron变异株及其突变位点

SARS-CoV-2 表面的刺突(S)蛋白是负责受体结合和进入宿主细胞的糖蛋白，其在弗林(Furin)蛋白酶的作用下被切割成S1和S2两个亚基，S1亚基促进病毒通过其RBD附着于宿主细胞表面的ACE2受体上，而S2亚基负责将S蛋白锚定在宿主细胞膜上并介导膜融合，从而感染宿主细胞[10]。

通过对SARS-CoV-2变异株基因组测序分析发现，Omicron是目前为止突变数量最多的变异株，约包含60个替换、插入或缺失的氨基酸变异，其中30多个突变位点位于S蛋白，远超既往变异株的突变数量[11]。Omicron包含的HV69-70del、T95I、G142D、YY144-145del、K417N、T478K、N501Y、D614G、H655Y和P681H等突变是与其他变异株共有的特征性氨基酸突变，但也包含G339D、N440K、S447N、E484A、Q493R、Q498R等独有的突变。结构模型和假病毒实验表明，G339D、S371L、S373P、S375F、K417N、N440K、G446S、S477N、T478K、E484A、Q493R、G496S、Q498R、N501Y、Q498R和Y505H等突变位点能够增强病毒RBD与宿主细胞ACE2的亲和力，进而增强病毒传染性[12]。研究发现Omicron变异株形成S蛋白RBD-ACE2复合物的亲和力是野生型(wild type，WT)毒株的13倍，是Delta毒株的2.8倍[13]。Omicron变异株在S蛋白Furin蛋白酶切割位点附近存在的三重突变(H655Y+N679K+P681H)，会加速S1和S2亚基的裂解，促进病毒高效进入宿主细胞[14]。K417N、N440K[15]、S477N[16]、T478K、E484A[17]和N501Y[18]突变被发现能够逃避恢复期血清、部分单克隆抗体和接种后血清的中和作用，明显提高了病毒的免疫逃逸能力。Omicron变异株突变所导致的病毒特性改变经自然选择一次又一次地证明这些突变对SARS-CoV-2的进化有利。

自首次鉴定以来，已有多个具有显著不同遗传特征的Omicron毒株亚型被报道，包括BA.1.1、BA.2和BA.3。其中，BA.2首先在世界部分地区传播，这表明相比其他亚型，BA.2具有选择性优势[19]。与此同时，Omicron还在不断进化并不断出现新的亚型。2022年5月4日，WHO提醒密切监测BA.2.12.1亚型，其传播速度比BA.2快23%～27%，且具有更强的免疫逃逸能力[20]。在Omicron的BA.2亚型在全球范围内引起激增仅仅几周后，又有两个亚型(BA.4和BA.5)在全球范围内传播，引起COVID-19疫情持续反弹[21]。与BA.1、BA.3、BA.4和BA.5相比，BA.2谱系缺少HV69-70del变异，该变异能够导致S基因靶基因检测失败(S gene target failure，SGTF)，这使得无法通过SGTF检测跟踪BA.2的传播，因此BA.2也被称为“隐形变体”[22]。蛋白质-蛋白质对接模型显示，WT、BA.1、BA.2和BA.3亚型与人类ACE2受体的结合自由能分别为-799.6、-943.4、-974.0、-999.3，表明BA.2和BA.3对ACE2的亲和力高于WT和BA.1，具有更强的传播潜力[23]。由于BA.2不存在143-145del变异，其S蛋白的N结构域表面相比BA.1更大更平[24]，导致BA.2具有更高的正表面电位，有利于RBD与ACE2的结合[25]。与BA.2相比，BA.4/BA.5额外发生了HV69-70del、L452R、F486V和R493Q突变。F486V突变损害了病毒对细胞ACE2受体的亲和力，但R493Q回复突变又恢复了其对ACE2的亲和力[26]。

Omicron在开放阅读框1ab(open reading frame 1ab，ORF1ab)、核衣壳蛋白(nucleocapsid，N蛋白)、包膜蛋白(envelope，E蛋白)和膜蛋白(membrane，M蛋白)中也发生了大量突变，包括NSP1-S135R、PLpro-T24I、G489S、NSP4-L264F、T327I、L438F、T492I、3CL-P132H、NSP6-del105-108、F108L、NSP12-P323L、189 V、NSP13-R392C、NSP14-I42 V、NSP15-T112I、ORF3a-T223I、E-T9、M-Q19E、N-P13L、del31-33、R203K、G204R、S413R。研究表明，发生在NSP6的突变降低了蛋白质结构的稳定性[27]，发生在NSP12的P323L突变可促进病毒RNA和蛋白质合成[28]。此外，R203K和G204R突变能够促进N蛋白磷酸化，通过增加正电荷促进RNA结合，从而加速病毒复制，增强病毒传播性及其毒力[29]。

截至目前，Omicron变异株是基因组突变数量最多的变异株，影响了其生物学特性。与原始毒株相比，Omicron变异株的病毒复制能力增强，与宿主细胞受体的亲和力增加，导致其具有更强的传播性。

2 Omicron变异株病毒学特征

与包括Delta在内的其他SARS-CoV-2变异株相比，Omicron的传播力更强。为证实这一假设，研究人员通过不同方法研究了Omicron变异株的传播动力学。Chen等[13]使用人工智能模型发现，Omicron变异株的传染性可能是WT毒株的10倍以上，是Delta变异株的2.8倍左右。体外感染实验表明，使用293T-ACE2细胞或亲代293T细胞(不含ACE2受体)，Omicron假病毒的感染率比WT毒株高4倍，比Delta变异株高2倍[30]。Zhao等[31]比较了Omicron变异株和Delta变异株的复制能力，发现Omicron在Ⅱ型跨膜丝氨酸蛋白酶(transmembrane serine protease 2，TMPRSS2)过表达的VeroE6(VeroE6/TMPRSS2)细胞中的复制速度比Delta慢。TMPRSS2是一类位于细胞膜上的蛋白，能激活SARS-CoV-2的S蛋白，并诱导病毒与靶细胞融合，促进其感染。此外，在TMPRSS2高表达的Calu-3肺腺癌细胞系中，Omicron变异株的复制能力下降[32]。Omicron无法有效利用细胞膜上的TMPRSS2通过质膜融合进入细胞，却表现出对通过内吞途径进入细胞具有更大的依赖性，可能是因为S蛋白的变异降低了其利用TMPRSS2通路的能力，从而削弱了其在人上皮细胞系中进入和复制的能力[33]。在含有人类ACE2的K18-hACE2小鼠模型中，与Delta变异株相比，Omicron在受感染小鼠上呼吸道和下呼吸道中的复制水平均显著降低[34]。

体外实验表明，与BA.1相比，BA.2能够更加快速地与人鼻上皮细胞融合，且具有更强的复制能力，感染BA.2形成的合胞体形态比感染BA.1大1.52倍[35]。在体试验表明，肺周围组织的BA.2病毒载量是BA.1的9.3倍[35]。有效再生数(effective reproduction number，Rt)代表某一时刻确诊的感染者在其感染期内平均会传染的二代确诊病例数，可用于衡量疫情的实时可传播性。贝叶斯模型的统计分析表明，BA.2的Rt比Delta高2.51倍，比BA.1高1.26～1.4倍[36]。流行病学研究表明，BA.2 阳性感染拭子的平均Ct值(E基因：23.7，N基因：25.9)低于BA.1 (E基因：26.3，N基因：27.7)[37]。假病毒研究表明，BA.4、BA.5和BA.2.12.1的Rt分别是BA.2的1.19、1.21和1.13倍，BA.4/BA.5假病毒的传染性是BA.2的18.3倍[38]。细胞实验表明，BA.2.12.1、BA.4/BA.5在人肺泡上皮细胞中的复制效率高于BA.2，且BA.4/BA.5感染细胞上清液的病毒含量是BA.2的34倍[38]。此外，多类逻辑回归模型显示，在南非国家，BA.4/BA.5的生长优势高于BA.2[39]。综上所述，BA.2的Rt高于BA.1，BA.4/BA.5的Rt高于BA.2，因此BA.4/BA.5全球健康的风险可能高于BA.2。

此外，一项研究调查了WT毒株和变异株(Alpha、Beta、Delta和Omicron)在塑料和皮肤表面上病毒环境稳定性的差异[5]。研究表明，4种变异株的存活时间均是WT毒株的2倍以上，并在皮肤表面的传染性保持了16 h以上，其中Omicron变异株的稳定性最高。SARS-CoV-2变异株的高环境稳定性可能会增加接触传播的风险。

3 Omicron变异株致病性

与其他变异株相比，Omicron变异株引起重症疾病的概率较低，症状以发烧、头痛、流鼻涕、咽痛等为主。流行病学监测显示，尽管Omicron变异株开始在全球流行，但住院率和死亡率并未随感染人数的增加而增加，相反，住院风险下降了20%～80%[40-42]。在一项回顾性队列研究中，研究人员比较了2021年12月至2022年1月美国多中心全国数据库中14 054例Omicron感染患者在Omicron变异株出现前后儿童和成人患者中COVID-19疾病的结局[43]，结果发现，与Delta变异株相比，首次感染Omicron变异株患者的疾病严重程度显著降低；在5岁以下儿童中，因Omicron感染急诊就诊和住院的总风险分别为3.89%和0.96%，显著低于感染Delta的患者(21.01%和2.65%)。丹麦学者的一项研究表明，同一时期感染Delta变异株患者的住院率和重症率分别为1.5%和0.11%，感染Omicron变异株患者的住院率和重症率则分别为1.2%和0.13%[44]。另一项研究发现，感染Omicron变异株的住院患者中普通病房护理、高级护理和重症监护的比例分别为91%、6%、3%，Delta变异株的比例分别为89%、4%、7%，Beta变异株的比例分别为78%、7%、16%；此外，感染Delta或Beta变异株患者的平均住院时间为5～6 d，而感染Omicron变异株的患者为3 d[45]。南加州的一项临床研究表明，BA.2变异株与BA.1变异株感染30 d内有症状性入院、进入ICU治疗、需要机械通气和死亡的风险均无明显差异[46]。另一项研究表明，感染BA.4/BA.5变异株严重住院或死亡的风险与感染BA.1相比亦无明显差异[47]。Hui等[48]研究发现，Omicron变异株在支气管中的复制速度比WT毒株和所有其他SARS-CoV-2变异株(D614G、Alpha、Beta和Delta)快，但在肺实质中的复制速度较慢。尽管疾病严重程度受多方面因素影响，但Omicron疾病严重程度降低可能与人类肺部Omicron变异株复制能力较低相关。研究人员在K18-hACE2小鼠模型中研究了Omicron的传染性和致病性，发现感染Omicron变异株的小鼠临床症状不严重，恢复期短，且上下呼吸道的病毒载量相比于其他变异株感染均呈下降趋势，原因可能是Omicron诱导合胞体的能力降低，而合胞体的形成与疾病的严重程度有关[34]。在另一项使用几种小鼠品系(129、C57BL/6、BALB/c和K18-hACE2转基因)和仓鼠(野生型和hACE2转基因)的在体研究发现，与其他变异株相比，Omicron变异株在129、C57BL/6、BALB/c和K18-hACE2转基因小鼠中感染症状较轻，体重下降不明显，上下呼吸道病毒载量较低[49]。同样，Omicron在野生型和hACE2转基因仓鼠中感染症状轻微，这表明该变异株对啮齿类动物的毒性低于之前几种变异株毒株[49]。

综上，尽管Omicron取代了先前的变异株成为优势流行株，但其感染严重程度并未增加。此外，尽管BA.2、BA.4和BA.5可能比BA.1更具竞争优势，但与BA.1相比，BA.2、BA.4和BA.5发生危重症和死亡的风险无明显差异。

4 Omicron突变株免疫逃逸

研究表明，南非约60%～70%感染Omicron变异株的患者既往均感染过SARS-CoV-2[50]，提示Omicron变异株可能会降低疫苗接种后血清、恢复期血清和单克隆抗体治疗的中和作用。SARS-CoV-2刺突蛋白上的RBD是病毒感染宿主细胞的关键位点，也是目前疫苗和抗体研发的最佳靶点，而Omicron变异株的RBD上有15个突变位点，包括G339D、S371L、S373P、S375F、K417N、N440K、G446S、S477N、T478K、E484A、Q493R、G496S、Q498R、N501Y和Y505H。与BA.1变异株RBD相比，BA.2含有3个额外突变(T376A、D405N、R480S)，而缺少BA.1的G446S和G496S突变[51]。位于BA.1上的S371L突变在BA.2变成了S371F，通过对病毒分子结构进行分析，发生在BA.1的S371L、G446S、G496S突变和发生在BA.2 的S371F、T376A、D405N、R408S突变可能影响抗体结合。BA.1的G446S、G496S和BA.2的D405N、R408S位于ACE2相互作用位点附近，这些突变削弱了治疗性抗体对SARS-CoV-2的中和作用[52]。

已知Omicron变异株有许多与免疫逃逸相关的S蛋白突变，因此研究人员使用全程接种或加强接种SARS-CoV-2疫苗的个体血清样本，评估其对Omicron变异株的中和能力。研究发现，接种两剂辉瑞疫苗(BNT162b2)后，针对WT、BA.1和BA.2的假病毒中和抗体几何平均滴度(geometric mean titer，GMT)分别为658、29和24。在接种两剂疫苗后6个月，针对WT的GMT降至129，针对BA.1和BA.2的GMT降至20以下[19]。在接种第三剂加强针2周后，针对WT的GMT大幅增至6539，BA.1和BA.2分别为1066和776，表明针对原始毒株的中和抗体滴度的中位值分别为BA.1和BA.2的6.1和8.4倍[19]。另一项研究发现，接种BNT162b2疫苗第三剂加强针1个月后，针对BA.1、BA.2、BA.2.12.1、BA.3、BA.4/BA.5的GMT分别比WT低3.4、4.5、4.2、6.2和13.0倍[53]。此外，在接种了两剂SINOVAC科兴SARS-CoV-2灭活疫苗克尔来福(CoronaVac)后6个月，再接种第三剂CoronaVac加强针或智飞重组蛋白新冠疫苗(ZF2001)加强针的个体，BA.4/BA.5比BA.1、BA.1.1、BA.2表现出更强的抗体逃逸能力[21]。张文宏团队展示了中国加强针疫苗接种对Omicron变异株的中和效果，发现第3针接种与前2针相同的灭活蛋白疫苗或不同的重组蛋白疫苗可将其病毒中和能力分别提高8.07倍和15.87倍[54]。

COVID-19恢复期血清可用于预防感染或治疗疾病。对感染患者恢复期血清的分析提供了关于SARS-CoV-2 S蛋白诱导抗体的寿命和抗体交叉中和活性的相关信息[55]。动物实验表明，BA.1和BA.2对感染过WT、Alpha或Delta变异株的恢复期血清具有高度抗性。与BA.1相比，BA.2对BA.1感染恢复期仓鼠血清的抗性提高约2.9倍[35]。Zou等[56]研究表明，BA.1感染恢复期血浆对同源BA.1的中和活性显著高于对BA.2和BA.3的中和活性。Hachmann 等[57]研究表明，BA.1或BA.2感染恢复期血浆对BA.2.12.1和BA.4/BA.5的中和活性显著高于对BA.1的中和活性。

虽然疫苗仍然是预防SARS-CoV-2感染的最有效方法，但使用治疗性单克隆抗体可能使部分脆弱人群(如未接种疫苗或最近接种疫苗的高危人群)在病毒暴露之前或之后受益[58]。研究发现，BA.2变异株几乎完全抵抗再生元公司的REGN-COV2鸡尾酒疗法(casirivimab和imdevimab)，而该疗法对于WT、Alpha、Gamma和Delta变异株具有显著中和作用[35，59]。BA.2变异株对于英国葛兰素史克(GSK)和Vir生物技术公司联合开发的单克隆抗体类药物索托维单抗(sotrovimab)的耐药性是BA.1.1的35倍[35，59]。此外，与BA.2及BA.2.12.1相比，BA.4/BA.5对两种2类RBD单克隆抗体表现出更强的免疫逃逸能力，对两种3类RBD单克隆抗体表现出中等免疫逃逸能力[26]。BA.4/BA.5对西加韦单抗(cilgavimab)和恩适得(evusheld)等的耐药性是BA.2的4～20倍。日本学者评估抗病毒药物对BQ.1.1(BA.5亚变体)和XBB(BA.2亚变体)的体外疗效，结果表明4种抗体(imdevimab-casirivimab、tixagevimab-cilgavimab、sotrovimab和bebtelovimab)在临床中可能对BQ.1.1或XBB无效，瑞德西韦、莫努匹拉韦和奈玛特韦在体外对BQ.1.1和XBB均有效[60]。而另一项研究发现，BA.2.75.2、BQ.1.1和XBB是迄今为止检测到的免疫逃逸性最强的毒株[61]。

综上，Omicron变体部分逃脱了来自疫苗接种或先前感染诱导的中和作用，且对大多数单克隆抗体或治疗性抗体具有完全或部分耐药性。疫苗接种、既往SARS-CoV-2感染和单克隆抗体治疗对BA.4或BA.5的中和活性低于对BA.1和BA.2的中和活性，这表明Omicron变异株在进化过程中免疫逃逸能力不断增强。

5 小结

迄今为止，Omicron谱系是变异株中突变数量最多的SARS-CoV-2变异毒株，在整个基因组中已发生至少50次突变，其中约30个突变位点发生于S蛋白。截至2023年3月15日，Omicron被分为5个主要谱系，包括BA.1、BA.2、BA.3、BA.4、BA.5及其后代谱系。一些发生在S蛋白的突变对病毒功能表型的影响较为显著，如病毒传播的难易程度、相关疾病的严重程度及对疫苗接种、既往SARS-CoV-2感染和单克隆抗体治疗的免疫逃逸程度等，也成为当前SARS-CoV-2变异研究关注的重点。随着大规模人群感染，全球监测和基因测序覆盖范围的下降，追踪已知变异株和发现新变异株变得更加困难。因此，迫切需要采取长期公共卫生行动，包括保持警惕并继续报告监测和基因组测序数据，以评估和监测新出现的变异株；对于已知和新出现的变异株进行表征分析；提高治疗、疫苗和诊断工具的可及性并确保持久供给；保持COVID-19疫苗接种的势头，为最高危人群接种疫苗，以尽可能降低重症率和死亡率。毋庸置疑，SARS-CoV-2在可预见的未来仍将是永久存在于人类和动物中的病原体，人类需学会与之共存，并最大程度降低其危害性。

作者贡献：陈玉清负责资料收集和论文撰写；李金明负责选题设计并审阅定稿。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突