Science | SARS-CoV-2刺突蛋白膜融合过程的构象捕捉与抗体靶向策略
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SARS-CoV-2是引起全球性传染病COVID-19的罪魁祸首，对全球公共卫生安全造成了巨大的危害。在致病机理方面，SARS-CoV-2具有一种功能强大的刺突蛋白（Spike），包含S1和S2两个结构域，常以三聚体（trimer）的形式存在。S1具有与宿主细胞膜上的血管紧张素转化酶2（ACE2）结合的能力，一旦结合，S1部分会发生构象变化并脱落，暴露出S2，S2会伸展到宿主细胞膜并插入融合肽段（FP），在病毒和宿主细胞膜之间形成连接，研究人员称之为“前发夹中间体”（prehairpin intermediate）。随后，S2会重新折叠和压缩，开始膜融合的过程，同时中间体逐渐变换成为类似棒状的六螺旋束的融合后构象（postfusion conformation）。
刺突蛋白介导宿主和病毒的膜融合过程
目前研究人员已成功对体外纯化的Spike-ACE2复合物进行了结构解析和表征，但仍不清楚Spike trimer与ACE2 dimer如何相互作用并重新折叠成融合后构象。
2024年8月15日，来自美国耶鲁大学病原微生物系的Wenwei Li、Walther Mothes、Michael W. Grunst以及美国东北大学理论生物物理研究中心的Paul C. Whitford课题组在《科学》杂志联合发表了题为“Structure and inhibition of SARS-CoV-2 spike refolding in membranes”的研究文章。该研究利用冷冻电子断层扫描（cryo-ET）、分子动力学模拟和中和抗体实验，成功捕捉到病毒刺突蛋白S2重新折叠过程的多个中间体构象，并详细分析了抗体如何通过挟持中间体来阻断S2向融合后构象的转变。
图1 膜融合过程中的Spike-ACE2复合物及中间体构象
研究人员发现，在孵育温度为4°C时，Spike和ACE2蛋白形成完整的Spike-ACE2 dimer复合物，这种构象被认为是病毒与宿主细胞膜融合前的状态。而当温度升高至37°C时，Spike-ACE2 dimer消失，但会出现连接两个VLP膜界面的棒状结构，这被称为融合后构象。这些发现展示了病毒进入宿主细胞的早期膜融合过程中不同温度条件下Spike和ACE2蛋白的不同构象变化，为相关病毒入侵机制的研究提供了重要线索。
图2 Spike 与ACE2 dimer形成交联结构
CV3-25 Fab是一种能够精准靶向冠状病毒刺突蛋白S2域主干螺旋的泛β型中和抗体，其作用在于阻碍S2主干的倾斜，为解析Spike-ACE2复合物的结构提供了有力支持。研究结果显示，S2主干能够与一个或多个CV3-25 Fabs结合，而后者能够有效减小主干的倾斜角度，拉大病毒样颗粒膜之间的距离，从而有效阻碍了病毒融合的进程。此外，亚断层扫描展示出Spike蛋白的受体结合域（RBD）在Spike:ACE2=1:1的化学计量关系下介导双方复合物的相互作用，而Spike则以三聚体结构出现。这些发现为研究人员提供了深入了解冠状病毒与宿主细胞相互作用的重要线索。
图3 Spike经过温度激活形成前发夹中间体
在前文中提到，当孵化温度为37°C时，Spike会形成一些中间体或融合后构象。例如，前发夹中间体的头部较厚，朝向Spike-VLP膜的一侧，而逐渐变细的棒状部分则锚定在ACE2-VLP膜上，呈现与融合后构象恰好相反的形态。尽管这些中间体在结构上相似，但Spike-VLP膜与ACE2-VLP膜之间的夹角却不尽相同。值得注意的是，随着夹角增加，膜之间的距离也逐渐缩短，这暗示了融合过程正在动态进行中。
图4 中和抗体能够靶向刺突蛋白S2主干，进而抑制其重折叠
研制靶向保守的刺突蛋白S2域的抗体对于应对新型冠状病毒，尤其是能够广谱性抑制β型冠状病毒至关重要。在目前的这类抗体中，CV3-25能够特异性结合在S2主干的外表面，而CC25.106和CC99.103的结合位置位于主干螺旋包裹的内部区域。这也解释了CV3-25对病毒的抑制效果是最佳的情况。
图4 中和抗体能够靶向刺突蛋白S2主干，进而抑制其重折叠
为了确定抗体在哪一阶段与S2主干结合并发挥作用，研究人员借助分子动力学模拟发现，CV3-25和CC25.106的抗体在最初阶段与病毒的接触表面积（AbASA）会增加，随着融合过程的进行逐渐减少。同时，刺突蛋白S2的倾斜程度不断加深。此外，研究还发现，破环S2主干的聚糖位点会适度增加抗体结合区域的表位，增强抗体的中和活性。
研究人员利用VLP-VLP系统和Cryo-ET等先进技术，成功确定了膜间Spike-ACE2复合物的结构，并捕捉到了刺突蛋白S2结构域重新折叠阶段的多个中间构象。这一系列中间体构象的呈现，描绘出了生动的膜融合场景，为抗体和小分子抑制剂的研发提供了重要参考。此外，研究人员还发现，中和抗体在重折叠早期阶段即与主干上的抗原位点结合，通过空间效应，阻碍了主干结构的“后拉链”过程，从而阻止了中间体向融合后状态的转变。这一发现揭示了靶向β型冠状病毒S2的中和抗体的作用机制。
原文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn5658
参考文献
参考文献
Esteban Dodero-Rojas, et al., Elife, 2021
供稿 | 黄隽豪
责编 | 囡囡
设计 / 排版 | 可洲
微信号：FRCBS-THU
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