美國國家過敏和傳染病研究所疫苗研究中心最近提交的一篇論文對新冠病毒結構進行了研究，並驗證了一個結論：新冠病毒S蛋白與細胞ACE2的親和力是SARS的10到20倍。這可能意味著新冠病毒肺炎（COVID-19）的傳染性相比SARS要高出很多。
這篇最新論文目前被髮布在生物領域預印版論文平臺bioRxiv上。其中，研究人員通過低溫電子顯微鏡構建了新冠病毒S蛋白的預融合構架是三個聚體，發現每個單體上都有細胞受體結合點位。
對比新冠與非典的S蛋白，研究人員驚訝的發現，新冠病毒和人血管緊張素轉化酶2（ACE2）的結合力是SARS病毒的10-20倍。
這也是科學家們首次對於新冠病毒（2019-nCoV）突刺蛋白冷凍電鏡結構進行詳細觀察揭示的秘密。
編譯 | 微胖、澤南
冠狀病毒的刺突糖蛋白（Spike glycoprotein, S glycoprotein）是疫苗、治療性抗體的研發以及臨床診斷的關鍵靶點。
2020年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（此前，McLellan組在病毒結構方面做了很多重要的工作，研究涉及MERS等疾病）進行合作，利用冷凍電鏡技術分析了新型冠狀病毒表面S蛋白的近原子結構。這一研究揭示了新型冠狀病毒傳染性強的主要原因。
1 新冠病毒的強傳染性之謎
在新冠肺炎疫情爆發之後不久，中國科學院上海巴斯德研究所和武漢病毒研究所的科學家先後分別發現新型冠狀病毒和SARS病毒一樣，也是通過利用S蛋白結合人體細胞表面的ACE2蛋白進入細胞，只不過二者S蛋白同源性比較低，只有76.47%。
1月底，根據中國疾控中心、湖北省疾控中心、香港大學等機構1月29日在NEJM上發表的論文《新型冠狀病毒感染肺炎在中國武漢的初期傳播動力學》，通過分析武漢最早的425例確診病例數據，估計R0（基本傳染數）約為2.2，亦即每個感染者平均將傳給另外2.2人。這與WHO方面的初步估計值接近，該機構給出的R0值為1.4至2.5。
不過，隨著疫情的蔓延，新冠肺炎表現出的傳染性明顯強於SARS。
據媒體報道，本週，中國團隊基於更大規模的數據評估的R0值3.77，基本明確了新冠肺炎的傳染性強於SARS。
今天，世界首個新冠病毒（2019-nCoV）突刺蛋白的冷凍電鏡結構研究出爐。最新研究採用利用冷凍電鏡技術解析了新型冠狀病毒的S蛋白結構，還利用表面等離子共振技術（SPR）分析了S蛋白與ACE2的親和力。
其中，冷凍電鏡技術，其發明人曾獲2017年獲得諾貝爾化學獎，讓人類在原子級別觀測生命現象成為可能。SPR是從20世紀90年代發展起來的一種新技術，其應用SPR原理檢測生物傳感芯片（biosensor chip）上配位體與分析物之間的相互作用情況，廣泛應用於各個領域。
2 首個新冠病毒 S蛋白冷凍電鏡結構揭秘
在這篇研究中，研究人員獲得了處於預融合構象的新型冠狀病毒突刺蛋白三聚體的冷凍電鏡（cryo-EM）結構，其分辨率為3.5Å。三聚體的主要狀態為三個受體結合結構域（RBD）之一向上旋轉為受體可結合的構象。
生物物理和結構證據表明，較之SARS冠狀病毒，新型冠狀病毒的三聚體更容易與細胞表面的ACE2蛋白結合。另外，研究者們也測試了幾個已經發表過的SARS冠狀病毒RBD特異性單克隆抗體，發現它們與新冠病毒S突刺蛋白沒有明顯的結合，這表明兩種病毒RBD之間的抗體交叉反應性可能受到限制。
圖1. 預融合構象中的2019-nCoV S蛋白結構。
新型冠狀病毒利用高度糖基化的同源三聚體S蛋白進入宿主細胞。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。
為了與宿主細胞受體結合，S1的受體結合域(RBD)經歷了類似於鉸鏈的融合構象運動，以暫時隱藏或暴露受體結合的關鍵位點。這兩種狀態被稱為“下”構象和“上”構象，其中，“下”對應於受體不可結合狀態，“上”對應於受體可結合狀態，而受體可結合狀態被認為較為不穩定。
由於S蛋白的不可或缺性，它是抗體介入中和的一個脆弱靶點，而預融合S結構的特性將為指導疫苗的設計和開發提供原子水平的信息。
根據新型冠狀病毒公佈的基因序列，研究者表達了S突刺蛋白的胞外域殘基（ectodomain residues）1−1208，在基於先前的穩定策略的C末端S2融合機制中增加了兩個穩定脯氨酸突變，該策略被證明對β冠狀病毒S蛋白高效。
研究者從FreeStyle 293細胞中獲得了大約0.5毫克/升的重組預融合穩定的S胞外域，通過親和層析和凝膠排阻層析進行體外蛋白純化（補充材料圖1）。使用這種純化的、完全糖基化的S蛋白製備冷凍電鏡網格，初步篩選顯示高顆粒密度，在孔的邊緣幾乎沒有聚集。
圖2. 2019-CoV病毒S蛋白與 SARS-CoV病毒S蛋白的結構比較。
最近的研究表明，新型冠狀病毒和SARS冠狀病毒的S蛋白具有相同的功能性宿主細胞血管緊張素轉受體（ACE2），這促使研究人員對於通過表面等離子共振（SPR）的動力學進行量化研究。
讓大家感到吃驚的是，新型冠狀病毒S蛋白與ACE2的平衡解離常數KD是15 nM，而SARS病毒S蛋白與ACE2的平衡解離常數KD竟然達到了325.8 nM。KD值越大說明解離越多，S蛋白與ACE2的親和力越弱。經過計算，新型冠狀病毒S蛋白與ACE2的親和力，是SARS病毒S蛋白與ACE2之間親和力10倍，甚至20倍。新冠病毒對於人類ACE2的高親和力，可能有助於使它在人與人之間的傳播變得更加容易，但論文作者認為，還需要進一步的研究來研究這種可能性。
新冠病毒（上）和SARS病毒（下）的S蛋白與ACE2的親和力比較
由於新型冠狀病毒與SARS病毒之間的結構同源性，研究人員希望對已經發表的SARS病毒的RBD單克隆抗體對新型冠狀病毒的RBD進行交叉反應性測試。
不過，儘管兩病毒RBD之間結構高度相似，SARS病毒的RBD抗體對於新型冠狀病毒並沒有明顯的結合。SARS RBD的單克隆抗體對於新型冠狀病毒不具有交叉反應，該結果與為新型冠狀病毒S突刺蛋白作為未來抗體分離與治療方案的設計提供了重要的參考。
3 研究的重要意義
這項研究從近原子水平的分辨率解析了新型冠狀病毒S蛋白，為進一步精確地疫苗設計以及抗病毒藥物的發現提供了重要的結構生物學基礎，為後續對抗新冠的疫苗和抗病毒藥物研發提供了重要的結構生物學數據支撐。
據McLellan實驗室透露，針對S蛋白的新冠肺炎疫苗，已經由本研究的參與者，美國國立衛生研究院疫苗研發中心的Barney Graham團隊展開測試。
參考文獻：Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformationhttps://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.11.944462v1
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