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UMN李放教授团队揭示新冠病毒入侵和免疫逃逸新机制

截至目前,全球新冠肺炎累计确诊人数超过300万,累计死亡人数已高达26万。新冠肺炎给全球经济和人类健康带来巨大影响。令人疑惑的是与SARS-CoV患者相比(2003年非典型肺炎病原体),很多SARS-CoV-2患者体内引起很弱的免疫反应,延长了患者的康复历程。新冠病毒的这些特性使其得以大面积传播,促进了该病毒在全球的大流行。

5月6日,美国明尼苏达大学的李放教授团队首次揭示了新冠病毒感染人体细胞以及免疫逃逸的机理,并与SARS-CoV存在很大不同。相关成果以“Cell entry mechanisms of SARS-CoV-2”为题发表于PNAS(美国科学院院报)上。

正文内容

论文主要讲述了表面突刺蛋白作为病毒“钥匙”来“解锁”并侵入人类细胞,病毒钥匙尖端与人体细胞的结合非常紧密;但大部分时间处于被隐藏的状态(免疫隐身);同时病毒颗粒合成过程中,病毒钥匙还会被人体其他蛋白酶预先激活,增加其侵染效率

UMN李放教授团队揭示新冠病毒入侵和免疫逃逸新机制

SARS-CoV-2的S蛋白(Spike,刺突蛋白)与细胞表面的ACE2受体结合是其入侵细胞的第一步。除了与ACE2受体结合,细胞的一些蛋白酶比如跨膜丝氨酸蛋白酶TMPRSS2和溶酶体蛋白酶对SARS-CoV-2进入细胞也非常重要。

此外前蛋白转化酶(PPC)也是介导某些病毒入侵细胞的关键。研究人员推测并利用HIV假病毒实验系统证实SARS-CoV-2的S蛋白存在一个PPC裂解位点,随后的SARS-CoV-2假病毒细胞入侵实验发现PPC裂解位点突变,无法发生裂解后病毒入侵细胞的效率显著降低。类似的,使用广谱性PPC抑制剂(PPCi),SARS-CoV-2入侵细胞的效率也随PPCi浓度增加而降低,而SARS-CoV的入侵效率却不受PPC抑制剂影响。

基于上述广谱性PPCi的阳性结果,作者选择了一个在多种病毒入侵中扮演重要角色的特异性PPC蛋白-弗林蛋白酶(Furin),证实Furin可裂解SARS-CoV-2 的S蛋白。同时,对已知的介导病毒入侵的其他类别蛋白酶,比如TMPRSS2(Camostat为其抑制剂)和溶酶体组织蛋白酶(E64d为其抑制剂)的实验表明,二者在SARS-CoV-2/ SARS-CoV-2在细胞入侵过程中都发挥一定作用。特别是这些酶与PPC在介导SARS-CoV-2的细胞入侵上有累积效应,而在SARS-CoV上没有

最后,作者比较SARS-CoV-2 和SARS-CoV的 S蛋白以及RBD结构域与hACE2的结合能力,发现SARS-CoV-2的S蛋白与hACE2的亲和能力弱于SARS-CoV;而SARS-CoV-2的RBD与hACE2的结合能力强于SARS-CoV,但总体上两种病毒入侵细胞的效率是相近的

SARS-CoV-2的S蛋白与受体ACE2的结合能力要弱于SARS-CoV,而SARS-CoV-2的RBD与ACE2的结合能力要强于SARS-CoV,这似乎是矛盾的

作者认为RBD的动态状态能够解释这个现象。因为冠状病毒的RBD结构可以呈现“站立”状态-易与结合细胞受体,还可以呈“躺下”状态-不与细胞受体结合。SARS-CoV的RBD主要呈现“站立”状态,而SARS-CoV-2的RBD大部分为“躺下”状态,因此,尽管SARS-CoV-2的RBD与hACE2的亲和力高,但“躺下”状态不利于与受体结合,导致其S蛋白与hACE2的亲和力要低于SARS-CoV。

UMN李放教授团队揭示新冠病毒入侵和免疫逃逸新机制

成熟病毒,S蛋白以三聚体形式,三个S1头位于三聚体S2柄的顶端

SARS-CoV-2如何躲避机体的免疫监视呢?为什么SARS-CoV-2保持高传染性的同时其RBD却处于与受体结合不利的“躺下”状态?作者认为这可能依赖于宿主蛋白酶的激活

Furin能与TMPRSS2和组织蛋白酶共同累积参与SARS-CoV-2的细胞入侵;而Furin不参与SARS-CoV的细胞入侵。这使得Furin对S蛋白预激活后能减少SARS-CoV-2对入侵靶细胞的依赖,特别是TMPRSS2和/或组织蛋白酶表达量低的细胞,呈现“躺下”状态的RBD,可能无法受先前产生的抗体中和,出现免疫逃逸。尽管病毒隐藏RBD其受体结合和进入宿主细胞的效变低,但SARS-CoV-2通过进化出与hACE2高亲和力的RBD以及Furin介导的PPC基序克服了这个问题,最终SARS-CoV 和SARS-CoV-2假病毒入侵细胞实验的整体效率相当。

UMN李放教授团队揭示新冠病毒入侵和免疫逃逸新机制

SARS-CoV 和SARS-CoV-2入侵细胞的特征差异

作者点评

论文发表的第一时间,生命科学前沿编辑部与李放教授取得了联系。李放教授指出:对于被新冠病毒感染的病人来说,他们康复的重要途径是依靠体内产生的针对病毒钥匙尖端的抗体。然而,当病毒钥匙尖端被隐藏起来时,免疫系统无法发现它,从而延缓病人的康复历程。

李教授解释到,病毒在逃避免疫系统时,会降低自身的感染力,而新冠病毒通过两个机制保持了强劲的感染力。首先,在有限的暴露时间内,病毒钥匙尖端与人体细胞的结合非常快速和紧密;其次,由于病毒钥匙被预先激活,新冠病毒感染人体细胞的效率显著增强。

最后,李教授强调了本次研究的重要意义,清晰地认识新冠病毒的强劲感染力以及免疫隐身的特点对于抗体药物和疫苗的研发非常重要。由于病毒钥匙尖端经常处于隐藏状态,抗体药物必须在其有限的暴露时间之内快速紧密地结合上去以将其制服 。此外, 由于病毒钥匙在尖端以外的部位更暴露,可以针对这些部位开发抗体药物

本研究的共同作者包括博士后研究员尚剑、万雨顺和罗楚明,研究生叶刚和耿启斌,以及助理研究员Ashley Auerbach。美国国立健康研究院资助了此项研究。

文章链接:https://www.pnas.org/content/early/2020/05/05/2003138117

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