疫苗研製關鍵突破：西湖大學再發布複合物結構，《Science》上線S蛋白結構論文

2020 年 2 月 25 日
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病毒入侵人體的神秘面紗終於被揭開了。

策劃&撰寫：Lynn

研製出新冠肺炎的疫苗，無疑將是一個漫長的過程，而在這一過程中，科學家們首先需要邁過去的「坎」就是要弄明白新冠病毒表面蛋白（S蛋白）與人體細胞受體（ACE2蛋白）的結構，以及病毒侵入後的複合物結構（兩種蛋白質結合過程）。

今天（2月21日），在BioRxiv上，西湖大學又發布了關於新冠肺炎的最新研究成果，揭示了病毒侵入人體細胞後的複合物結構。（BioRxiv論文地址：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.19.956946v1）

在短短十天時間內，我們相繼看見了S蛋白結構、ACE2蛋白結構的研究成果，以及基於兩項成果發布的複合物結構，這為後期的疫苗研製奠定了非常堅實的基礎。

西湖大學發布複合物結構，揭開新冠病毒入侵人體的神秘面紗

新型冠狀病毒感染人體細胞的關鍵在於冠狀病毒的S蛋白與人體ACE2蛋白的結合。簡單來說，是S蛋白「劫持」了原本用於控制血壓的ACE2，通過與它的結合入侵人體。

基於此前美國Jason S. McLellan團隊研究的S蛋白結構和自己研究出的ACE2蛋白結構，周強實驗室進一步解析出ACE2全長蛋白與新冠病毒S蛋白受體結合結構域的複合物結構，整體解析度2.9埃，其中S蛋白RBD部分的解析度為3.5埃。

周強實驗組發現，在形態上，新冠病毒的S蛋白像一座橋橫跨在ACE2表面，又像病毒的一隻手，緊緊抓住ACE2，這一點與SARS病毒很相似。新冠病毒S蛋白的受體結合結構域與SARS病毒的序列也非常像，相似性達到82%。

進一步分析，研究人員可以看到新冠病毒表面的S蛋白到底是由哪些氨基酸與ACE2相互作用。對比此前已經解析出來的SARS病毒與ACE2的相互作用，新冠病毒S蛋白有一部分氨基酸殘基發生了較大改變。這得出了與此前Jason S. McLellan研究組相似的猜測：在ACE2的結合能力上，新冠病毒和SARS不一樣，這種結合能力影響了病毒的傳染力。

S蛋白與ACE2蛋白

當然，複合物結構能夠快速被解析出，這還要得益於近幾日各國科學家們對病毒入侵過程中的關鍵蛋白質——S蛋白和ACE2蛋白的解構，以及成果的及時分享。

· Jason S. McLellan研究組解析出S蛋白結構

其中S蛋白全稱為spike glycoprotein（刺突蛋白），它是位於新冠病毒最外層包膜上的糖蛋白，與病毒的吸附和侵入有關。

2月15日，美國衛生總署(NIH)與德克薩斯大學奧斯汀分校Jason S. McLellan研究組在預印版平台bioRxiv發表了研究成果，解析了他們利用冷凍電鏡技術分析出的新型冠狀病毒表面S蛋白近原子結構。2月19日，該研究成果被《Science》雜誌收錄並正式刊發。

論文顯示，新型冠狀病毒是利用高度糖基化的同源三聚體S蛋白進入宿主細胞，即S蛋白經歷結構變化將病毒融合進入宿主細胞的細胞膜。此過程包括病毒的S1亞基結合到宿主細胞受體上，引發三聚體不穩定性的發生，進而造成S1亞基脫落S2亞基形成高度穩定的融合後結構。

為了對新型冠狀病毒的S蛋白預融合的結構進行解析，他們通過對已經公開的2019-nCoV的序列進行親和層析和凝膠排阻層析，從而實現體外蛋白純化，而在收集和處理3207張蛋白影像後，研究者們實現了對蛋白的3D結構重組，獲得了3.5埃解析度、受體可結合狀態下的S蛋白結構。

通過該結構分析，作者們發現S1亞基中的RBD（受體結合結構域）經歷鉸鏈類似運動，在靠近三聚體的中央部位上，S蛋白中3個RBP（RNA結合蛋白）中的1個會向上螺旋突出從而讓S蛋白形成能夠輕易與宿主受體ACE2結合。研究者發現，與SARS-CoV的S蛋白結構相比，新型管冠狀病毒中RBD結構更靠近三聚體的中央部位，因此傳染性更強。

隨後，該研究作者就將把這一結構的原子「坐標」數據發送給世界各地數十個研究小組，這些研究小組正致力於研髮針對新型冠狀病毒的疫苗和藥物。

· 周強實驗室解析出ACE2蛋白的全長結構

而ACE2全稱為「血管緊張素轉化酶2」，是人體內一種參與血壓調節的蛋白，廣泛存在於肺、心臟、腎臟和腸道等部位。對此，西湖大學特聘研究員陶亮解釋，「如果把人體想像成一間房屋，把新冠病毒想像成強盜，那麼，ACE2就是這間房屋的』門把手』；S蛋白抓住了它，病毒從而長驅直入闖進人體細胞。」

2月19日，西湖大學周強實驗室在預印版平台bioRxiv上線了自己的研究成果，他們利用冷凍電鏡技術成功解析此次新冠病毒的受體——ACE2的全長結構。

(關於該研究的具體細節，可以查看這篇文章：世界首次！西湖大學成功解析新冠病毒受體ACE2的全長結構)

最後

不僅僅是周強、Jason S. McLellan和齊建勛研究組，在結構解析度上，晶體學家們也在緊鑼密鼓地攻堅同一問題，力求獲得更高的解析度。

在昨晚，中國科學院微生物研究所齊建勛研究團隊也將2.5埃的類似晶體結構發布在國家微生物科學數據中心。這一系列成果互相驗證、互為補充，在原子水平揭示了新冠病毒入侵人體細胞的第一步。

此外，清華大學王新泉和張林琦課題組利用昆蟲細胞體系表達和純化了新冠病毒 RBD和人ACE2胞外結構域，成功生長出新冠病毒 RBD-ACE2複合物的晶體，並利用上海光源BL17U線站收集了解析度為2.45埃的衍射數據，解析其三維空間結構。

對於既有的一系列研究，張林琦教授表示意義重大，「病毒如何進入細胞，這一步非常關鍵。因此，在原子解析度水平極其清晰地看新冠病毒與受體複合物作用介面的資訊，對了解新冠病毒進入細胞或者感染細胞的機制，具有重要的指導意義。」

當然，距離研究出疫苗，這些工作還遠遠不夠，因此這也需要更多科學家投入到後續的研究中。