來源：機(jī)器之心 編譯：微胖、澤南

 

美國(guó)國(guó)家過敏和傳染病研究所疫苗研究中心最近提交的一篇論文對(duì)新冠病毒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并驗(yàn)證了一個(gè)結(jié)論：新冠病毒S蛋白與細(xì)胞ACE2的親和力是SARS的10到20倍。這可能意味著新冠病毒肺炎(COVID-19)的傳染性相比SARS要高出很多。

這篇最新論文目前被發(fā)布在生物領(lǐng)域預(yù)印版論文平臺(tái)bioRxiv上。其中，研究人員通過低溫電子顯微鏡構(gòu)建了新冠病毒S蛋白的預(yù)融合構(gòu)架是三個(gè)聚體，發(fā)現(xiàn)每個(gè)單體上都有細(xì)胞受體結(jié)合點(diǎn)位。

對(duì)比新冠與非典的S蛋白，研究人員驚訝的發(fā)現(xiàn)，新冠病毒和人血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2(ACE2)的結(jié)合力是SARS病毒的10-20倍。

這也是科學(xué)家們首次對(duì)于新冠病毒(2019-nCoV)突刺蛋白冷凍電鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)觀察揭示的秘密。

冠狀病毒的刺突糖蛋白(Spike glycoprotein, S glycoprotein)是疫苗、治療性抗體的研發(fā)以及臨床診斷的關(guān)鍵靶點(diǎn)。

2020年2月15日，美國(guó)衛(wèi)生總署(NIH)與德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Jason S. McLellan研究組(此前，McLellan組在病毒結(jié)構(gòu)方面做了很多重要的工作，研究涉及MERS等疾病)進(jìn)行合作，利用冷凍電鏡技術(shù)分析了新型冠狀病毒表面S蛋白的近原子結(jié)構(gòu)。這一研究揭示了新型冠狀病毒傳染性強(qiáng)的主要原因。

 

 

1 新冠病毒的強(qiáng)傳染性之謎

在新冠肺炎疫情爆發(fā)之后不久，中國(guó)科學(xué)院上海巴斯德研究所和武漢病毒研究所的科學(xué)家先后分別發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒和SARS病毒一樣，也是通過利用S蛋白結(jié)合人體細(xì)胞表面的ACE2蛋白進(jìn)入細(xì)胞，只不過二者S蛋白同源性比較低，只有76.47%。

1月底，根據(jù)中國(guó)疾控中心、湖北省疾控中心、香港大學(xué)等機(jī)構(gòu)1月29日在NEJM上發(fā)表的論文《新型冠狀病毒感染肺炎在中國(guó)武漢的初期傳播動(dòng)力學(xué)》，通過分析武漢最早的425例確診病例數(shù)據(jù)，估計(jì)R0(基本傳染數(shù))約為2.2，亦即每個(gè)感染者平均將傳給另外2.2人。這與WHO方面的初步估計(jì)值接近，該機(jī)構(gòu)給出的R0值為1.4至2.5。

不過，隨著疫情的蔓延，新冠肺炎表現(xiàn)出的傳染性明顯強(qiáng)于SARS。

據(jù)媒體報(bào)道，本周，中國(guó)團(tuán)隊(duì)基于更大規(guī)模的數(shù)據(jù)評(píng)估的R0值3.77，基本明確了新冠肺炎的傳染性強(qiáng)于SARS。

今天，世界首個(gè)新冠病毒(2019-nCoV)突刺蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)研究出爐。最新研究采用利用冷凍電鏡技術(shù)解析了新型冠狀病毒的S蛋白結(jié)構(gòu)，還利用表面等離子共振技術(shù)(SPR)分析了S蛋白與ACE2的親和力。

其中，冷凍電鏡技術(shù)，其發(fā)明人曾獲2017年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，讓人類在原子級(jí)別觀測(cè)生命現(xiàn)象成為可能。SPR是從20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新技術(shù)，其應(yīng)用SPR原理檢測(cè)生物傳感芯片(biosensor chip)上配位體與分析物之間的相互作用情況，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

2 首個(gè)新冠病毒 S蛋白冷凍電鏡結(jié)構(gòu)揭秘

在這篇研究中，研究人員獲得了處于預(yù)融合構(gòu)象的新型冠狀病毒突刺蛋白三聚體的冷凍電鏡(cryo-EM)結(jié)構(gòu)，其分辨率為3.5Å。三聚體的主要狀態(tài)為三個(gè)受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域(RBD)之一向上旋轉(zhuǎn)為受體可結(jié)合的構(gòu)象。

生物物理和結(jié)構(gòu)證據(jù)表明，較之SARS冠狀病毒，新型冠狀病毒的三聚體更容易與細(xì)胞表面的ACE2蛋白結(jié)合。另外，研究者們也測(cè)試了幾個(gè)已經(jīng)發(fā)表過的SARS冠狀病毒RBD特異性單克隆抗體，發(fā)現(xiàn)它們與新冠病毒S突刺蛋白沒有明顯的結(jié)合，這表明兩種病毒RBD之間的抗體交叉反應(yīng)性可能受到限制。

 

 

圖1. 預(yù)融合構(gòu)象中的2019-nCoV S蛋白結(jié)構(gòu)。

新型冠狀病毒利用高度糖基化的同源三聚體S蛋白進(jìn)入宿主細(xì)胞。S蛋白經(jīng)歷結(jié)構(gòu)變化將病毒融合進(jìn)入宿主細(xì)胞的細(xì)胞膜。此過程包括病毒的S1亞基結(jié)合到宿主細(xì)胞受體上，引發(fā)三聚體不穩(wěn)定性的發(fā)生，進(jìn)而造成S1亞基脫落S2亞基形成高度穩(wěn)定的融合后結(jié)構(gòu)。

為了與宿主細(xì)胞受體結(jié)合，S1的受體結(jié)合域(RBD)經(jīng)歷了類似于鉸鏈的融合構(gòu)象運(yùn)動(dòng)，以暫時(shí)隱藏或暴露受體結(jié)合的關(guān)鍵位點(diǎn)。這兩種狀態(tài)被稱為“下”構(gòu)象和“上”構(gòu)象，其中，“下”對(duì)應(yīng)于受體不可結(jié)合狀態(tài)，“上”對(duì)應(yīng)于受體可結(jié)合狀態(tài)，而受體可結(jié)合狀態(tài)被認(rèn)為較為不穩(wěn)定。

由于S蛋白的不可或缺性，它是抗體介入中和的一個(gè)脆弱靶點(diǎn)，而預(yù)融合S結(jié)構(gòu)的特性將為指導(dǎo)疫苗的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供原子水平的信息。

根據(jù)新型冠狀病毒公布的基因序列，研究者表達(dá)了S突刺蛋白的胞外域殘基(ectodomain residues)1−1208，在基于先前的穩(wěn)定策略的C末端S2融合機(jī)制中增加了兩個(gè)穩(wěn)定脯氨酸突變，該策略被證明對(duì)β冠狀病毒S蛋白高效。

研究者從FreeStyle 293細(xì)胞中獲得了大約0.5毫克/升的重組預(yù)融合穩(wěn)定的S胞外域，通過親和層析和凝膠排阻層析進(jìn)行體外蛋白純化(補(bǔ)充材料圖1)。使用這種純化的、完全糖基化的S蛋白制備冷凍電鏡網(wǎng)格，初步篩選顯示高顆粒密度，在孔的邊緣幾乎沒有聚集。

 

 

圖2. 2019-CoV病毒S蛋白與 SARS-CoV病毒S蛋白的結(jié)構(gòu)比較。

最近的研究表明，新型冠狀病毒和SARS冠狀病毒的S蛋白具有相同的功能性宿主細(xì)胞血管緊張素轉(zhuǎn)受體(ACE2)，這促使研究人員對(duì)于通過表面等離子共振(SPR)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行量化研究。讓大家感到吃驚的是，新型冠狀病毒S蛋白與ACE2的平衡解離常數(shù)KD是15 nM，而SARS病毒S蛋白與ACE2的平衡解離常數(shù)KD竟然達(dá)到了325.8 nM。

KD值越大說明解離越多，S蛋白與ACE2的親和力越弱。經(jīng)過計(jì)算，新型冠狀病毒S蛋白與ACE2的親和力，是SARS病毒S蛋白與ACE2之間親和力10倍，甚至20倍。新冠病毒對(duì)于人類ACE2的高親和力，可能有助于使它在人與人之間的傳播變得更加容易，但論文作者認(rèn)為，還需要進(jìn)一步的研究來研究這種可能性。

 

 

新冠病毒(上)和SARS病毒(下)的S蛋白與ACE2的親和力比較

由于新型冠狀病毒與SARS病毒之間的結(jié)構(gòu)同源性，研究人員希望對(duì)已經(jīng)發(fā)表的SARS病毒的RBD單克隆抗體對(duì)新型冠狀病毒的RBD進(jìn)行交叉反應(yīng)性測(cè)試。

不過，盡管兩病毒RBD之間結(jié)構(gòu)高度相似，SARS病毒的RBD抗體對(duì)于新型冠狀病毒并沒有明顯的結(jié)合。SARS RBD的單克隆抗體對(duì)于新型冠狀病毒不具有交叉反應(yīng)，該結(jié)果與為新型冠狀病毒S突刺蛋白作為未來抗體分離與治療方案的設(shè)計(jì)提供了重要的參考。

3 研究的重要意義

這項(xiàng)研究從近原子水平的分辨率解析了新型冠狀病毒S蛋白，為進(jìn)一步精確地疫苗設(shè)計(jì)以及抗病毒藥物的發(fā)現(xiàn)提供了重要的結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)，為后續(xù)對(duì)抗新冠的疫苗和抗病毒藥物研發(fā)提供了重要的結(jié)構(gòu)生物學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

據(jù)McLellan實(shí)驗(yàn)室透露，針對(duì)S蛋白的新冠肺炎疫苗，已經(jīng)由本研究的參與者，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院疫苗研發(fā)中心的Barney Graham團(tuán)隊(duì)展開測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformationhttps://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.11.944462v1

標(biāo)簽： 新冠病毒

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