【突破】新冠病毒关键蛋白结构被解析，与ACE2亲和力竟是SARS病毒10到20倍
导言：
从2019年12月开始的新型冠状病毒（SARS-CoV-2，之前称2019-nCoV），导致了影响全球的新型冠状病毒病（COVID-19）。截止到2020年2月16日，全球确诊69,281例病例，其中1,670例死亡。
新型冠状病毒与SARS病毒都是依赖病毒表面的spike蛋白（S蛋白）与细胞表面的血管紧张素转换酶2（ACE2）结合，才得以进入细胞。因此新型冠状病毒 S蛋白是理解其传染性，以及研发特异性疫苗、治疗性抗体和精准诊断方法的关键。
今天，美国德克萨斯大学和美国国立卫生研究院的科学家在bioRxiv上传了极为重要的SARS-CoV-2 S蛋白极易与其受体ACE2结合前的三聚体结构，并验证了其与受体的超高亲和力。
从左到右：Daniel Wrapp，Jason McLellan（通讯作者）和Nianshuang Wang
（图源：mclellanlab.org）
因为其对COVID-19诊治的重大意义，我们的特约评论员王宇歌博士对该结果第一时间做以解读。王宇歌博士长期在美国从事病毒研究，一直密切关注新型冠状病毒的临床诊治及研究进展，撰写了大量非常有价值的推文。
文章的全文可以通过点击左下角“阅读原文”或者“Read more”直接看到。
下面是王宇歌博士的解读。
我的好友，UT Austin的副教授Jason McLellan刚刚在bioRxiv上传了极为重要的新型冠状病毒的spike蛋白（S蛋白）在与受体结合前的三聚体结构，题目是“Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation”。S蛋白是冠状病毒与其受体血管紧张素转换酶2（ACE2）结合的病毒蛋白，Wrapp等应用Cryo-EM解析了新型冠状病毒S蛋白3.5A近原子精度分辨率的三聚体结构。
这项研究解惑了很多我之前好奇的问题，包括其与RaTG13结构差异的问题。NIH/NIAID新闻发言人Greg Folker在其推特上公布了这一发现。为尊重原文，本文中新型冠状病毒病毒均以2019-nCoV表示。
1，融合构象中的2019-nCoV S蛋白结构
利用冷冻电镜技术，从结构上发现，新型冠状病毒S蛋白的3个受体结合结构域（RBD）中的1个会向上螺旋突出，从而让S蛋白形成能够轻易与宿主受体ACE2结合的空间构象。如图1所示。
图1. 融合构象中的2019-nCoV S蛋白结构。（A）2019-nCoV S蛋白一级结构示意图，按域着色。（B）选择用于计算2019-nCoV S蛋白重建的粒子的2D类平均值（左）。带有“向上”构型的单个RBD的2019-nCoV S蛋白的预融合结构的侧视图和俯视图（右）。
2，2019-nCoV与SARS-CoV的区别
通过与SARS病毒的结构比较，研究人员发现新型冠状病毒的S蛋白与SARS病毒的在结构上存在差异，但是整体上看相似度很高。
图2. 2019-nCoV S蛋白和SARS-CoV S蛋白之间的结构比较。（A）带状显示2019-nCoV S蛋白（彩色）和SARS-CoV S蛋白（白色）的单个RBD，显示2019-nCoV S蛋白一个“向下”的单体。（B）融合对比。2019-nCoV S蛋白的以下结构域已与SARS-CoV S的对应结构域对齐; NTD（左上方），RBD（右上方），SD1和SD2（左下方）和S2（右下方）。
3，2019-nCoV与ACE2具有更高亲和力
图3. 2019-nCoV S以高亲和力结合人ACE2。 （A）SPR传感图显示了人ACE2和固定化的2019-nCoV S的结合动力学。（B）由ACE2约束的2019-nCoV S的负染色EM 2D类平均值。平均值已经旋转，因此ACE2相对于病毒膜位于2019-nCoV S蛋白上方。显示了描绘ACE2结合的2019-nCoV S蛋白的卡通图（右），其中ACE2呈蓝色，S蛋白单体呈棕褐色，粉红色和绿色。
4，2019-nCoV RBD的抗原性
进一步研究发现，针对SARS-CoV RBD的3种抗体与新型冠状病毒缺乏交叉反应，因此今后的新型冠状病毒抗体分离只能依靠此病毒本身的S蛋白。
图4. 2019-nCoV RBD的抗原性。（A）SARS-CoV RBD显示为白色分子表面，其残基在2019-nCoV RBD中显示为红色。ACE2结合位点用黑色虚线勾勒出轮廓。（B）生物层干涉测量传感图，显示2019-nCoV RBD-SD1与ACE2的结合。绑定数据显示为黑线，数据与1：1绑定模型的最佳拟合显示为红色。（C）生物层干涉术，以测量SARS-CoV RBD指导的抗体S230，m396和80R的交叉反应性。将带有固定抗体的Sensortip浸入含有2019-nCoV RBD-SD1的孔中，所得数据显示为黑线。
5，2019-nCoV的氨基酸序列
研究Sup fig. 5和6显示新型冠状病毒与RaTG13的S蛋白最显著的变化是新型冠状病毒具有S1/S2蛋白酶切割位点的“RRAR”（弗林蛋白酶识别位点）氨基酸序列 ，而不是单个精氨酸。这一现象在流感病毒中较为普遍，其中高毒力禽流感病毒和人流感病毒常发生流感血凝素蛋白的关键位置上产生多聚弗林蛋白酶位点的氨基酸插入。除了在S1/S2连接处的氨基酸残基差异外，新型冠状病毒和RaTG13 S蛋白还存在29个氨基酸残基的差异，其中17个位于受体结合的RBD部位。
这些观察与之前的很多序列分析结果是一致的。
（附图5）
（附图6）
（从侧面沿着病毒膜看2019-nCoV S三聚体。）
小结：
本研究从结构上发现，新型冠状病毒S蛋白的3个受体结合结构域（RBD）中的1个会向上螺旋突出，从而让S蛋白形成能够轻易与宿主受体ACE2结合的空间构象；
通过SPR及负染EM等方法，从功能上验证了，相比SARS-CoV，新型冠状病毒与ACE2具有更高亲和力。
进一步研究发现，针对SARS-CoV RBD的3种抗体与新型冠状病毒缺乏交叉反应，因此今后的新型冠状病毒抗体分离只能依靠此病毒本身的S蛋白。
这项近原子精度的结构解析为疫苗和抗病毒吸附抑制剂的开发提供了十分重要的证据。这篇文章可能已经被顶级期刊接收（感觉排版像是Science，纯猜想）。
全文链接：
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.11.944462v1
编辑补充：
我们的4群群友上周一（2月10日）在群里分享了这篇文章被审稿的信息。从开始做到投稿，仅3周时间。并且确认，这篇稿件是投稿到了Science杂志。
Hanson解读，
旅美学者第一时间解读最重要医学进展。