Cell：深度解析新冠病毒S蛋白结构，SARS相关抗体或可阻碍其进入细胞丨医麦猛爆料
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从那之后，新冠病毒的S蛋白和细胞表面的ACE2成为科学家们的研究重点。日前，美国德克萨斯大学奥斯汀分校Jason S. McLellan团队和西湖大学周强实验室先后利用冷冻电镜技术分别首次成功解析了S蛋白（spike protein）和ACE2的完整结构，以及完整ACE2蛋白与新冠病毒S蛋白受体结构域（RBD）的复合物结构。
另外清华大学的王新泉和张林琦课题组利用X射线衍射技术解析了新冠病毒S蛋白受体结构域与人细胞受体ACE2蛋白的胞外部分复合物的晶体结构，找到了新冠病毒S蛋白和细胞受体ACE2的相互作用位点；中国科学院微生物研究所公开了新冠病毒S蛋白与细胞受体ACE2复合物2.5埃分辨率的晶体结构。
S蛋白和细胞受体ACE2相互作用是新冠病毒入侵所必须的，对于其结构的深入和相互作用的研究对于此次新冠肺炎的预防和治疗药物研发有重要的指导作用。
2020年3月2日/医麦客新闻 eMedClub News/--昨日（3月1日），Cell期刊上在线发表题为“Structure, function and antigenicity of the SARS-CoV-2 spike glycoprotein”的研究论文，来自华盛顿大学David Veesler团队，这项研究确定了SARS-CoV-2 S蛋白胞外域三聚体的冷冻电镜（CryoEM）结构，详细的阐释了S蛋白在新冠病毒与宿主侵染和膜融合的机制，表明在S蛋白膜融合区域（S2亚基），SARS-CoV-2 与SARS-CoV高度保守，提出两种新冠病毒可能会有抗体交叉反应。
为了使SARS-CoV-2 S蛋白的单粒子结构研究成为可能，研究人员设计了一个融合前稳定的外域三聚体结构体，该结构体具有一个被取消的furin S1/S2切割位点、两个连续的脯氨酸稳定突变和一个c端foldon三聚域。SARS-CoV-2 S蛋白在S1/S2亚基之间的边界处有一个furin裂解位点，该位点在生物演变过程中会被加工处理，从而将该病毒与SARS-CoV和与SARS相关的冠状病毒区分开。
▲ SARS-CoV-2和SARS-CoV S结构比较
在这项研究中，研究者们确定了SARS-CoV-2 S蛋白胞外域三聚体的冷冻电镜（CryoEM）结构，对冷冻数据3D分类显示出新冠病毒的Spike蛋白存在多种构象状态，这与其S1尖端内不同的SB结构域相对应。
研究者在3.0Å分辨率下重建了SARS-CoV-2 S蛋白胞外三聚体闭合状态结构和在3.3Å分辨率重建了单个SB区的三聚体开放状态的结构。S蛋白膜融合区域（S2亚基）是图中分辨率最好的部分，而由于构象的异质性，SA和SB结构域的分辨能力较差。总的来说，新冠病毒S胞外区是一个160Å长的三聚体，具有三角形截面，类似于密切相关的SARS-CoV结构。
▲ SARS-CoV-2 S蛋白的CryoEM结构
所选的粒子图像中约有一半的三聚体包含一个打开的SB域，而其余一半则具有三个关闭的SB域。Jason S. McLellan团队Wrapp等人最近也确定的SARS-CoV-2 S蛋白三聚体结构，其中有具有单个SB结构域打开的，但没有一个是完全关闭的。
另外本次研究进一步通过BLI技术分析S蛋白与hACE2结合能力，发现SARS-CoV-2与SARS-CoV具有相似的结合能力，原因是14个受体结合结构域（RBD）与受体结合的关键氨基酸在SARS-CoV-2的与SARS-CoV中有8个完全相同，只有6个发生了替代。这与Jason S. McLellan团队发表在Science杂志上的研究中应用SPR技术得出的结论有所不同。
根据结构图上绘制的furin蛋白酶切割位点和N-末端糖基化位点，研究推测S蛋白开放后与ACE2结合，会诱导进一步构象变化。研究同时还发现了在S蛋白膜融合区域（S2亚基），SARS-CoV-2 与SARS-CoV之间的高度保守性。因此，两者可能会有抗体交叉反应。
具体来说，SARS-CoV引起的多克隆抗体应答有效地中和了新冠病毒S蛋白介导的进入细胞，进一步增强了这种相似性。研究人员推测，其中大多数抗体都针对高度保守的S2亚基（包括融合肽区域），因为其跨新冠病毒和SARS-CoV的结构相似，进一步分析S2结构域显示，其和SARS病毒S2结构域具有88%的序列同源性，它们在结构上是保守的。因此，研究人员推测针对这一功能上重要序列的抗体，可能会产生交叉反应并中和这两种病毒以及相关的冠状病毒。
▲SARS-CoV-2 S蛋白 N-连接的聚糖的组织
研究人员从感染SARS-CoV的小鼠中获取了S蛋白免疫血清。研究发现该免疫血清可以同时抑制SARS-CoV-2和SARS-CoV感染进入靶细胞（Vero E6细胞）。另外，值得注意的是，迄今为止分离出的大多数SARS-CoV中和抗体都靶向SB结构域，其中一些识别RBM并阻止受体参与，由于SARS-CoV-2和SARS-CoV SB拥有75％的氨基酸序列同一性，因此有必要进一步评估这些抗体是否中和了新型冠状病毒。
▲SARS-CoV S蛋白诱导的抗体能够中和SARS-CoV-2 S蛋白介导病毒进入宿主细胞
这些研究成果让我们进一步看清新冠病毒与人细胞受体ACE2的结合方式，揭开了新冠病毒入侵人体细胞的神秘面纱，也为后期的疫苗和药物研制奠定了非常坚实的基础。但在使用S蛋白三聚体的血清学研究中，也存在人们可能很难将新冠病毒的暴露与其他SARS相关冠状病毒的暴露区分开的问题，因此也还需要设计特定的检测方法。
目前，针对新冠肺炎的研究已经越来越全面且逐渐深入，日前（2月28日），同样在顶尖学术期刊Cell杂志上在线发表的一篇题为《SARS-CoV-2 cell entry depends on ACE2 and TMPRSS2 and is blocked by a clinically-proven protease inhibitor》的文章中，揭示了新冠病毒入侵细胞所需的关键蛋白酶TMPRSS2 ，并指出一种在日本获批上市的蛋白酶抑制剂在实验中展现了抑制效果，有望成为潜在的治疗方案。
基于蛋白及其与ACE2相互作用的治疗策略已经在众多致力于解决这次全球性公共卫生事件的制药企业和科研院所中广泛开展并取得了初步的进展。我们相信，随着更多的研究和临床试验拼成一幅完整的拼图，我们终将打赢这场防疫之战。
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参考出处：DOI: 10.1016/j.cell.2020.02.058
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