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解析Science新冠病毒论文:S蛋白电镜图首次公布

时间: 2020年02月21日 | 作者: Admin | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
冠状病毒的刺突蛋白结构是疫苗应对的关键区域;2019-nCoV的刺突蛋白与细胞ACE2受体亲和力要高于SARS-CoV



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新冠病毒刺突蛋白的冷冻电镜图像


今日发表在《科学》上的新研究中,来自美国得克萨斯大学和NIH的研究人员首次利用冷冻电镜展示了新冠病毒刺突蛋白的分子结构。该研究已于2月16日发表在预印本网站bioRxiv,并快速通过同行审议发表于《科学》期刊。研究共发现和提出了3个关键点:


再度确认冠状病毒的刺突蛋白结构是疫苗应对的关键区域;

2019-nCoV的刺突蛋白与细胞ACE2受体亲和力要高于SARS-CoV;

特异性针对SARS-CoV刺突蛋白受体结合结构域(RBD)的多克隆抗体不能与2019-nCoV结合,两种病毒的抗体具有限制性。


包括中科院上海巴斯德研究所郝沛团队等利用基因序列进行建模、石正丽团队在《自然》发文的细胞水平实验在内,此前已经有多项研究从不同的角度证实,与SARS-CoV一样,2019-nCoV同样是利用刺突蛋白与ACE2受体作用来感染人体细胞。


刺突蛋白(S Protein)根据蛋白结构功能可以被分成两个功能单位:S1和S2蛋白亚基。S1能够促进病毒结合到宿主细胞受体的能力,其含有一个重要的C端受体结合结构域(receptor-binding domain,RBD),正是这个位置负责和受体结合。


在之前的计算机模型分析中,新型冠状病毒和SARS的刺突蛋白同源性较低,两种病毒刺突蛋白的氨基酸序列相似度只有76.47%。但是两种病毒RBD结构域的有一些基因区域与SARS有高度的同源性。其中SARS感染的5个关键位点中,有1个被新型冠状病毒保留,其余4个有氨基酸的替换和变化。


新型冠状病毒刺突蛋白中与ACE2蛋白结合的5个关键氨基酸有4个发生了变化,但其维持了SARS病毒刺突蛋白与ACE2蛋白作用的原结构构象。这说明,新型冠状病毒仍是通过与SARS相同的受体和机制进行病毒感染和传播。


而发表于《科学》的新研究指出,新型冠状病毒利用高度糖基化的同源三聚体刺突蛋白进入宿主细胞。这一病毒融合(fusion)过程中,刺突蛋白会经历结构变化,包括病毒的S1亚基结合到宿主细胞受体上,让刺突蛋白的三聚体产生不稳定性,进而造成S1亚基脱落,S2亚基形成高度稳定的融合后(post-fusion)结构。


通过结构分析,研究发现S1亚基中的RBD会经历铰链式运动,其移动特点与SARS-CoV以及MERS-CoV均非常相似。通过这种运动,刺突蛋白可以暂时隐藏或暴露受体结合的关键位点。这两种状态被称为“下”构象和“上”构象,其中,“下”构象对应的是受体不可结合状态,“上”构象对应受体可结合状态,受体可结合状态较为不稳定,因此是疫苗针对的绝佳位点。


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基于在SARS-CoV获取刺突蛋白的相关经验以及公开的新冠病毒序列,研究者在实验室细胞中获取了2019-nCoV的预融合(prefusion)刺突蛋白,并通过纯化后利用冷冻电镜展示了其3.5埃清晰度的高清结构图。


研究还展示了S1亚基进行铰链式运动时的动态图,这种运动和SARS-CoV和MERS-CoV等beta-冠状病毒,甚至和一些种属更远的alpha-冠状病毒非常接近。该发现证明了新冠病毒的感染机制符合其他冠状病毒的特征。


另外,研究指出2019-nCoV和蝙蝠冠状病毒RaTG13在S蛋白序列上有98%的相似性。氨基酸残基变异出现在了S1/S2亚基连接处,并且29个残基变异中17个出现在RBD区域。研究根据61个可用的刺突蛋白序列与已有数据库进行了比较,只发现了9种氨基酸取代物能与2019-nCoV比对得上,但这9中氨基酸取代物都很保守,对于改变新冠病毒刺突蛋白结构和功能,作用非常有限。


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由于ACE2是刺突蛋白的结合部分,因此,研究比对了2019-nCoV与SARS-CoV刺突蛋白与ACE2的亲和力。结果显示,2019-nCoV与ACE2的亲和力是SARS-CoV的10~20倍。并且作者制造了ACE2的结构与刺突蛋白结合图,冷冻电镜下,其结合形式与SARS-CoV高度相似。研究指出,新冠病毒刺突蛋白与ACE2的高亲和性,很可能有助于其产生高度人传人的传染性。


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研究最后测试了目前发表的3种针对SARS-CoV RBD区域的多克隆抗体,不过,尽管两种病毒有很高的同源性,但是这三种与SARS-CoV RBD区域能紧密结合的多克隆抗体,在新冠病毒中完全没有结合力。这一结果暗示着,SARS-CoV研究中的抗体或许对2019-nCoV并没有作用,需要针对新冠病毒的特异性来重新设计新抗体。


不过,在冷冻电镜图公布于世的情况下,就能根据新冠病毒刺突蛋白结构制作“探针”,并从康复者血液中特异性地分离有效抗体制成疫苗。


原始论文:

Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/02/19/science.abb2507/tab-figures-data