文｜學術頭條
2020 年 2 月 19 日，Science 雜誌刊發美國德克薩斯大學奧斯汀分校 Jason S McLellan 團隊的一篇重磅成果，研究人員通過冷凍電鏡 Cryo-EM 技術，解析出新冠病毒 S 蛋白三聚體 3.5 埃的近原子解析度結構，從生物物理及結構生物學的角度加深了我們對新冠病毒的認知，為疫苗研發相關工作奠定了堅實基礎。
這是科學家首次通過冷凍電鏡對新冠病毒 S 蛋白結構進行詳細觀察和解析。繪製冠狀病毒被稱為 S 蛋白的詳細結構，是世界各地的研究人員開發相關疫苗和抗病毒藥物過程中至關重要的一步，基於這一突破，該研究團隊正在進行新冠病毒相關疫苗的測試工作。
來源：Science
據研究人員介紹，在從中國研究人員那裡獲得新冠病毒的基因組序列僅僅兩周後，該研究團隊就設計並生產出了穩定的 S 蛋白樣本，然後他們又花了大約 12 天的時間，重建了 S 蛋白的 3D 原子尺度結構圖，並向 Science 雜誌提交了一份手稿，Science 雜誌也專門加快了同行評審的進程。
一般情況下，手稿評審過程中涉及的許多步驟，通常需要幾個月才能完成。這項最新成果於 2 月 17 日在預印版平臺 bioRxiv 發表，僅在 2 天后，便刊登在頂級期刊 Science 雜誌上。
疫苗開發的關鍵：S 蛋白
冠狀病毒的 S 蛋白，全稱為 spike protein，組合成一個三聚體，約含有 1300 個胺基酸，屬於第一類膜融合蛋白，同類的病毒膜融合蛋白還包括 HIV 的 Env 蛋白，流感的 HA 蛋白，以及伊波拉病毒的 Gp 蛋白等。
不久前，中國科學院武漢病毒所石正麗團隊在 Nature 發表的研究論文中，對造成此次疫情的 2019-nCoV 病毒進入人體細胞的途徑進行了解析，證實新型冠狀病毒感染人體細胞的關鍵就在於 S 蛋白與 ACE2 蛋白的結合。在 SARS 病毒和 MERS 病毒中，S 蛋白也行使著同樣的作用。
新冠病毒
可以說，S 蛋白決定了病毒的宿主範圍和特異性，是宿主中抗體的重要作用位點，同時也是疫苗設計、治療性抗體和診斷方法的關鍵靶標。
此前大量將 S 蛋白作為抗原蛋白的新冠疫苗研發工作，多是基於新冠病毒 S 蛋白的預測結構，或相近病毒（如 SARS）S 蛋白的已知結構展開。
領導這項研究的德克薩斯大學奧斯汀分校副教授傑森·麥克萊倫 (Jason McLellan) 和他的同事，花了多年時間研究冠狀病毒，包括 SARS-CoV 和 MERS-CoV。他們曾開發出一種方法來鎖定冠狀病毒的 S 蛋白，使其更容易分析，並能有效地將其轉化為疫苗的候選分子。這一經驗也使他們比其他研究這種新型病毒的研究團隊更有優勢。
揭開新冠病毒高傳染性的秘密
為了解析新型冠狀病毒的 S 蛋白的結構，McLellan 團隊的研究人員首先根據已經公開的基因組序列，合成了新型冠狀病毒 S 蛋白的膜外部分，然後用冷凍電鏡解析 S 蛋白的三聚體結構。
這項成功的關鍵是採用了被稱為低溫電子顯微鏡或冷凍電鏡 (cryo-EM) 的最先進技術。低溫電子顯微鏡允許研究人員製作原子尺度的細胞結構、分子和病毒的三維模型。
由於新型冠狀病毒與 SARS-CoV 病毒之間的結構同源性，因此研究人員對兩種病毒進行了進一步比較，結果發現新型冠狀病毒的 S 蛋白與 SARS 病毒整體上看相似度很高，但在結構上存在差異。
新冠病毒 S 蛋白結構
除了解析新冠病毒的 S 蛋白結構，研究人員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。結果發現，新冠病毒 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 325.8nM。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 到 20 倍。這也解釋了為什麼新冠病毒的傳染性如此之強。
新冠疫苗呼之欲出
此前有研究認為，由於 SARS 病毒的 S 蛋白高度和新冠病毒 S 蛋白相似，因此，靶向 SARS 病毒 S 蛋白的抗體也有可能能夠作用於 2019-nCoV。
為此，研究人員專門測試了三種用於結合 SARS 病毒 S 蛋白的單克隆抗體，結果發現這些抗體並不能與新冠病毒 S 蛋白產生交叉反應，這也意味著，SARS 病毒的抗體並不能用於新冠病毒, 針對新冠病毒必須重新設計抗體和疫苗。
Jason S. McLellan（左）；論文共同第一作者、德克薩斯大學奧斯汀分校博士生 Daniel Wrapp（中）和研究助理王年爽（右）
「當我們得知（2019-nCoV）是一種冠狀病毒時，我們覺得必須馬上採取行動。」McLellan 說，「我們可能是第一個得到這種結構的團隊，而且我們確切地知道應該引入什麼突變（以設計疫苗），因為我們已經證明這些突變對其他一些冠狀病毒有效。」
研究人員表示，雖然他們所製造的蛋白分子，以及獲得的 S 蛋白結構，只代表了 S 蛋白的細胞外部分，但它足以引發人體的免疫反應，因此可以作為疫苗。
接下來，McLellan 的團隊還計劃利用這種分子做「探針」，從感染了新型冠狀病毒並成功康復的患者體內分離出自然產生的抗體，如果數量足夠大，這些抗體可以幫助治療新冠病毒暴露不久後的感染。例如，可以在保護被送往高感染率地區的士兵或醫護人員，使其從疫苗中獲得免疫保護。
給力的西湖大學：解析 ACE2 全長結構
McLellan 等人認為，新型冠狀病毒感染人體細胞的關鍵在於 S 蛋白與 ACE2 蛋白的結合，搞清楚新型冠狀病毒 S 蛋白的結構，以及它與 ACE2 之間的相互作用，對於新型冠狀病毒的傳染作用有著重大意義。
所以，在對新型冠狀病毒 S 蛋白結構解析成果的基礎之上，對於 ACE2 受體的蛋白結構解析也成為科研探索道路上的一道重要關卡。
針對這個問題進行攻堅研究的西湖大學周強實驗室團隊，在 2 月 19 日以預印本的形式，發表了成功解析新冠病毒細胞受體 ACE2 全長結構的成果，成為新型冠狀病毒研究方向上的另一個重大突破。
由於 ACE2 的廣泛存在，該研究為新冠病毒以及 SARS 病毒感染的分子基礎提供了直接線索，並可能促進潛在療法的發展。
「總體而言，ACE2 全長結構的解析，將有助於理解冠狀病毒進入靶細胞的結構基礎和功能特徵，對發現和優化阻斷進入細胞的抑制劑有重要作用」，清華大學全球健康與傳染病研究中心主任張林琦教授說。
值得一提的是，2014 年張林琦教授和清華大學生命學院王新泉教授所帶領的團隊，在 Science 子刊 Science Translational Medicine 首次報導關於中東呼吸系統症候群冠狀病毒（MERS-CoV）的人源單克隆中和抗體，而當時還是清華大學生命學院 2009 級博士生的王年爽，也正是當時研究論文的共同第一作者。
正如 McLellan 所說:「我們最終成為第一批（解析出新冠病毒 S 蛋白結構的團隊），部分原因是由於自己所在實驗室強大的基礎設施，這也突出了資助基礎研究設施的重要性。」
而如今，以西湖大學校長施一公院士為代表的國內科研力量，已經在冷凍電鏡技術領域取得了一系列重大成果。這次西湖大學周強實驗室團隊關於新冠病毒蛋白結構的解析，更是做到了世界首次。
我們有理由相信，隨著抗擊新冠病毒徵程上一個又一個裡程碑成果的發布，尤其是中國科研力量的崛起和貢獻，新冠病毒疫苗及有效藥物也將很快誕生。
與此同時，我們也應該認識到，疫苗研發等科研工作本就不是一蹴而就的事情，對於當今人類健康所面臨的各種威脅，也還有許多未知等待科學家們探索。
參考資料：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/02/18/science.abb2507
https://news.utexas.edu/2020/02/19/breakthrough-in-coronavirus-research-results-in-new-map-to-support-vaccine-design/