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新型冠状病毒关键S蛋白的超微电镜结构

病毒感染宿主细胞期间,刺突表面糖蛋白Spike glycoprotein(也被称为S蛋白)很关键,它是新冠病毒粒子的最外层成分,负责病毒对ACE2的识别,而后者是哺乳动物宿主细胞膜上的一种跨膜受体。因此,S蛋白在很大程度上决定了新冠病毒的宿主特异性和传染性,同时也是疫苗、治疗性抗体的研发以及临床诊断的关键靶点。
2020年2月15日,美国卫生总署(NIH)联合德克萨斯大学奥斯汀分校Jason S. McLellan团队在生物医学预印版平台bioRxiv发表题为“Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation”的文章。该研究利用冷冻电镜技术分析了新冠病毒S蛋白的近原子结构,并发现新冠病毒的S蛋白与人体ACE2受体的亲和力要远高于SARS,也就是为何新冠病毒传染性比SARS强的主要原因。
新型冠状病毒关键S蛋白的超微电镜结构
01
 研究背景

 

此次疫情是继“非典”SARS之后冠状病毒家族与人类的第二次直接对话。现在疫情形势已经逐渐好转,这次灾难过后,为了预防冠状病毒家族再次卷土重来,研究有效的疫苗和治疗性抗体是日后的研究重点。
新型冠状病毒利用高度糖基化的同源三聚体S蛋白进入宿主细胞。S蛋白以亚稳定状态的预融合构结象存在,该结构象发生结构重排将病毒与宿主细胞膜融合。
为了与宿主细胞ACE2受体结合,S1亚基的受体结合域(RBD)经历了铰链式的构象变化,这些变化能够隐藏或暴露ACE2受体结合位点。一种叫做“向下”的不可结合状态和“向上”的可结合状态。

02
研究方法及发现

 

基于已报道的新冠病毒基因组序列,团队体外表达了新冠病毒残基(1-1208)。
新型冠状病毒关键S蛋白的超微电镜结构
团队通过亲和层析和凝胶排阻层析进行体外蛋白纯化,通过收集和处理3,207张蛋白图像后,对蛋白进行3D结构重组,获得了高分辨率分辨率的结合蛋白质(RBD)。
新型冠状病毒关键S蛋白的超微电镜结构
通过图像团队的研究人员们发现,新冠病毒的整体结构类似于SARS,最大差异是新冠病毒各结构域(RBD)的“向下”构象中的位置差异。这一差异具体表现在:SARS的RBD“向下”构象与N-末端结构域(NTD)紧密结合,而新冠病毒的RBD“向下”构象与同源三聚体的中心空间更接近。
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但是总体来看,新冠病毒和SARS的相似性是非常之高的。尽管观察到了这种构象差异,但把新冠病毒各结构域与SARS的对应结构域进行比对,发现两者之间具有高度的结构同源性。
新型冠状病毒关键S蛋白的超微电镜结构
以往的研究已经充分证实,新冠病毒和SARS具有相同的作用靶点ACE2受体。基于两种病毒直接的这个共性。团队通过量化表面等离子共振(SPR)介导的病毒-受体结合动力学,发现了令人惊讶的结果:新冠病毒结合ACE2受体的亲和力比SARS强约10到20倍。所谓亲和力越高,“人传人”的能力可能就越强。
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团队鉴于SARS和新冠病毒之间的结果相似性和共同受体ACE2,使用SARS结构域导向的单克隆抗体(monoclonal antibodies)来测试与新冠病毒的交叉反应性。另外,团队还重组表达了新冠病毒RBD-SD1片段,并通过生物膜层干涉技术(Biolayer Interferometry)定量ACE2受体的结合情况。
新型冠状病毒关键S蛋白的超微电镜结构

03
总   结
该篇研究科学地从微观角度证实了新冠病毒的传染性强于SARS,并以接近原子大小的分辨率充分描述了新冠病毒S蛋白结构,为日后的新冠病毒疫苗和治疗性抗体研究打下了坚实的基础。

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