Cell：新冠病毒与SARS病毒结构及侵染机制异同点
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2020年3月1日，美国华盛顿大学David Veesler团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell（《细胞》）上在线发表题为“Structure, function and antigenicity of the SARS-CoV-2 spikeglycoprotein”的研究论文。该研究从表面抗原的蛋白质序列、结构、进入宿主细胞的功能决定因素、受体亲和力等多方面比较了SARS病毒（SARS-CoV）及新型冠状病毒（SARS-CoV-2）， 揭示了新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的侵染宿主细胞机制与SARS病毒（SARS-CoV）具有相似之处，为疫苗研发提供了参考。
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自21世纪初以来，三种冠状病毒（CoV）已越过物种壁垒，在人类中引起致命的肺炎，分别是：严重的急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV），中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）和新型冠状病毒（SARS-CoV-2）。SARS-CoV于2002年在中国广东省出现，并通过航空旅行路线传播到五大洲，感染8,098人，造成774人死亡。2012年，MERS-CoV出现在阿拉伯半岛，成为主要的公共卫生问题，并被传播到27个国家，共感染约2,494人，夺走了858条生命。2019年12月在中国湖北省武汉市发现了一种以前未知的冠状病毒SARS-CoV-2， 研究人员于2020年1月对该病毒进行了测序和分离[1]。截至2020年2月15日，SARS-CoV-2已影响29个国家的80,000多人，并夺走了2,700多人的生命。2020年1月30日，世界卫生组织已经宣布SARS-CoV-2流行为国际关注的突发公共卫生事件。
冠状病毒进入宿主细胞是由跨膜刺突糖蛋白（spike glycoprotein，又称S蛋白）介导的，该蛋白从病毒表面突出并形成同型三聚体。S蛋白包含两个功能亚基S1及S2，S1亚基负责与宿主细胞受体结合，S2亚基负责使病毒包膜和细胞膜融合。对于许多冠状病毒来说，S蛋白在S1和S2亚基之间的边界处被剪切，这些亚基在预融合构象中保持非共价结合。S1亚基包含受体结合域，并有助于稳定S2亚基的预融合状态。而对于所有的冠状病毒，S蛋白都会在所谓的“S2位点”被宿主的蛋白酶进一步切割，以变为激活状态行使膜融合功能，导致病毒侵染宿主细胞。不同的冠状病毒依靠S1亚基内的不同结构域来识别各种附着物和进入受体，具体取决于病毒种类。MERS-CoV的S蛋白使用结构域A（SA）来识别附着受体，这可能会促进结构域B（SB）随后与进入受体二肽基-肽酶4（DPP4）的结合。而SARS-CoV和几种SARS相关冠状病毒（SARSr-CoV）通过SB直接与血管紧张素转化酶2（ACE2）相互作用进入靶细胞。冠状病毒进入易感细胞是一个复杂的过程，需要S蛋白的受体结合和蛋白水解过程协同作用以促进病毒-细胞融合，因此，S蛋白也是感染后抗体（Abs）结合的主要目标，是疾病治疗和疫苗设计的重点。
假病毒颗粒或假病毒（Viral pseudotyped particles / pseudovirions）是嵌合病毒颗粒，由一种病毒的内核和另一种病毒的包膜糖蛋白组成，常被用于研究包膜病毒进入宿主细胞的途径[2]。研究团队使用鼠白血病病毒（MLV）假型病毒系统[3]研究了SARS-CoV-2的S蛋白介导进入细胞的功能决定因素。为了评估SARS-CoV-2的S蛋白进入目标细胞的能力，研究人员构建了SARS-CoV S-MLV和SARS-CoV-2 S-MLV两种假病毒并分别导入天然表达ACE2的宿主细胞VeroE6细胞，发现两种假病毒均能很好地完成入胞过程，表明SARS-CoV-2的S蛋白像SARS-CoV的S蛋白一样也可以利用宿主细胞的ACE2作为进入受体。为进一步评估SARS-CoV-2是否能进入不表达ACE2的宿主BHK细胞，相比原宿主细胞，在对细胞导入人源ACE2（hACE2）后，研究人员发现细胞变得易于被SARS-CoV-2 S-MLV侵染。这些结果表明，ACE2是SARS-CoV-2的功能受体，这与最近报道的发现一致[4-6]。
为了了解受体相互作用对SARSCoV-2传染性的影响，研究人员使用生物层干涉技术来研究纯化的hACE2与固定在生物传感器表面的SARS-CoV-2 SB和SARS-CoV SB的结合动力学和亲和力。结果显示出两者具有相似的亲和力和相当的动力学速率常数。此前对于两者在结构上的比较揭示出两者在许多关键接触残基具有保守性，解释了为什么SARS-CoV-2 SB和SARS-CoV SB对受体的相似结合亲和力。这些结果表明，SARS-CoV-2至少与2002-2003年SARS病毒一样适应人类作为宿主并且进行快速传播。
SARS-CoV-2和SARS-CoV的S蛋白结构对比
除了与宿主细胞受体结合外，宿主细胞蛋白酶在S1/S2和“S2位点”的切割使S蛋白激活是调节向性和致病性的另一个关键因素。对SARS-CoV-2 的S蛋白的序列分析表明，与SARS-CoV的S蛋白和SARSr-CoV的S蛋白相比，SARS-CoV-2的S蛋白的S1和S2亚基之间的边界处存在四个氨基酸残基插入，插入引入了新的蛋白酶切割位点。研究人员推测，与SARS-CoV和SARSr-CoV分离株相比，SARS-CoV-2的S蛋白中的新蛋白酶切割位点可能会扩展病毒向性和/或增强其可传播性。研究人员还通过冷冻电镜对SARS-CoV-2的S蛋白颗粒进行了研究，观测到了与SARS-CoV的S蛋白相类似的结构：SARS-CoV-2的S胞外区是一个长160A的三聚体，具有三角形截面。由于SARS-CoV-2和SARS-CoV的S2亚基具有88％的序列同一性，它们在结构上是保守的。融合肽区域的序列和构象保守性表明，靶向此基序的抗体也许能够识别这两种病毒以及其他相关冠状病毒并发生结合。
SARS-CoV-2的S蛋白冷冻电镜结构
基于SARS-CoV-2和SARS-CoV两种病毒的S蛋白之间惊人的结构相似性和序列保守性，在“暴露于这两种病毒中的一种都会引起抗原-抗体反应（即能发生交叉中和反应）”的假设下，研究人员用稳定的对SARS-CoV S蛋白免疫的小鼠的血浆抑制了SARS-CoV-2的S蛋白和SARS-CoV的S蛋白介导的进入靶细胞的能力，表明接种疫苗后可以产生靶向两种病毒的S蛋白的交叉中和抗体。该研究不仅揭示了SARS-CoV-2的S蛋白的保守区域和可与抗体接触的表位对抗体研发至关重要，也为正在进行的疫苗设计工作提供了新的框架——鉴于动物传播病毒的多样性和防止病毒突变体出现的重要性，多种多样的多克隆抗体应答可能是防疫关键。
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本文参考文献（上下划动查看）
1. Lu, R.; Zhao, X.; Li, J.; Niu, P.; Yang, B.; Wu, H.; Wang, W.; Song, H.; Huang, B.; Zhu, N.; Bi, Y.; Ma, X.; Zhan, F.; Wang, L.; Hu, T.; Zhou, H.; Hu, Z.; Zhou, W.; Zhao, L.; Chen, J.; Meng, Y.; Wang, J.; Lin, Y.; Yuan, J.; Xie, Z.; Ma, J.; Liu, W. J.; Wang, D.; Xu, W.; Holmes, E. C.; Gao, G. F.; Wu, G.; Chen, W.; Shi, W.; Tan, W., Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding. The Lancet 2020,395 (10224), 565-574.
2. Bentley, E. M.; Mather, S. T.; Temperton, N. J., The use of pseudotypes to study viruses, virus sero-epidemiology and vaccination. Vaccine 2015,33 (26), 2955-2962.
3. Millet, J. K.; Tang, T.; Nathan, L.; Jaimes, J. A.; Hsu, H.-L.; Daniel, S.; Whittaker, G. R., Production of Pseudotyped Particles to Study Highly Pathogenic Coronaviruses in a Biosafety Level 2 Setting. J Vis Exp 2019, (145), 10.3791/59010.
4. Hoffmann, M.; Kleine-Weber, H.; Krüger, N.; Müller, M.; Drosten, C.; Pöhlmann, S., The novel coronavirus 2019 (2019-nCoV) uses the SARS-coronavirus receptor ACE2 and the cellular protease TMPRSS2 for entry into target cells. bioRxiv 2020, 2020.01.31.929042.
5. Letko, M.; Munster, V., Functional assessment of cell entry and receptor usage for lineage B β-coronaviruses, including 2019-nCoV. bioRxiv 2020, 2020.01.22.915660.
6. Zhou, P.; Yang, X.-L.; Wang, X.-G.; Hu, B.; Zhang, L.; Zhang, W.; Si, H.-R.; Zhu, Y.; Li, B.; Huang, C.-L.; Chen, H.-D.; Chen, J.; Luo, Y.; Guo, H.; Jiang, R.-D.; Liu, M.-Q.; Chen, Y.; Shen, X.-R.; Wang, X.; Zheng, X.-S.; Zhao, K.; Chen, Q.-J.; Deng, F.; Liu, L.-L.; Yan, B.; Zhan, F.-X.; Wang, Y.-Y.; Xiao, G.-F.; Shi, Z.-L., A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature 2020.
本文中文内容审校：Cell期刊科学编辑 杨扬
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