清華向燁、王新泉研究組發文揭示SARS冠狀病毒刺突糖蛋白與其受體...

清華向燁、王新泉研究組發文揭示SARS冠狀病毒刺突糖蛋白與其受體的冷凍電鏡結構

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清華新聞網8月21日電 8月13日，清華大學醫學院向燁副教授、生命科學學院王新泉教授在《公共科學圖書館·病原體》（Plos Pathogens）期刊在線發表題為《SARS冠狀病毒刺突糖蛋白與其受體ACE2複合物的冷凍電鏡結構》（Cryo-EM structure of the SARS coronavirus spike glycoprotein in complex with its host cell receptor ACE2）的研究論文，首次解析了高致病冠狀病毒SARS-CoV 表面刺突糖蛋白（S）與其受體ACE2複合物的近原子解析度結構，並捕捉到S蛋白在結合受體後發生的多種構象變化，揭示了SARS-CoV冠狀病毒S蛋白識別受體，介導病毒-宿主細胞膜融合過程中的必需的動態結構變化。

2002年爆發的SARS，感染範圍廣泛，波及全球，感染人數高達8273人，共引起775人死亡，其致死率高達10%。今年2月份，世界衛生組織列出了可能對世界公共衛生產生巨大威脅的10種病毒，SARS-CoV位列其中。迄今為止，還沒有研發出針對SARS-CoV的特異性藥物，以及針對冠狀病毒的廣譜特效藥物，其仍具有對人類健康造成巨大威脅的潛在隱患。

SARS-CoV刺突糖蛋白與受體的複合物結構及刺突糖蛋白的相應構象變化

SARS-CoV的S蛋白介導冠狀病毒與受體的結合以及膜融合，是病毒顆粒侵入宿主細胞過程中關鍵蛋白，對決定病毒的宿主範圍和組織嗜性起關鍵性作用，同時也是宿主中和抗體免疫應答的主要作用靶點。在病毒表面，S蛋白以同源三聚體形式存在，其單體可被蛋白酶識別，切割分為S1和S2兩個亞基。其中S1上存在受體結合結構域，主要負責受體識別；S2含有第二個酶切位點、膜融合肽以及兩個七肽重複區域 （heptad repeat）結構域，其主要功能是介導病毒囊膜與宿主細胞膜融合。

高致病性冠狀病毒SARS-CoV入侵宿主細胞通過兩種可能途徑，一種是受體介導的內吞途徑，另一種是直接膜融合途徑，即病毒包膜直接與細胞膜融合，將病毒基因組注入到細胞質內。綜合SARS-CoV入侵宿主細胞的途徑，受體、低pH環境以及蛋白酶可能誘導S發生構象變化，從而促進了膜融合過程的發生。

向燁研究組和王新泉研究組通過模擬SARS-CoV入侵宿主細胞的內環境，結合冷凍電鏡單顆粒技術與生化手段，解析了蛋白酶切割後處於中性和酸性環境中的S蛋白的構象，以及蛋白酶切割後中性和酸性環中S蛋白與受體結合的多種不同構象，並捕捉到S蛋白結合受體後發生的構象變化以及融合後的構象，最高解析度達3.6埃。通過對不同結構的分析與比較，研究者首先證實了前期提出的S蛋白受體結合所必需的構象狀態，並且發現受體ACE2的結合使得S蛋白的C端結構域（CTD1，即受體結合結構域）繼續向外偏轉，誘導S1-ACE2脫落及S2亞基結構變化並暴露融合肽。該研究結果承接前面的研究進展，並填補了冠狀病毒糖蛋白介導膜融合研究領域的空白。

向燁副教授、王新泉教授曾於2017年在《細胞研究》（Cell Research）雜誌上報導SARS冠狀病毒刺突糖蛋白的冷凍電鏡結構，並提出了其結合受體所必需的構象狀態。本次研究是在SARS冠狀病毒刺突糖蛋白領域的又一突破。

清華大學生命科學學院2014級博士生宋文飛和醫學院博士後、結構生物學高精尖創新中心卓越學者桂淼為本論文的共同第一作者，向燁副教授和王新泉教授為本論文的共同通訊作者。該工作的冷凍電鏡數據採集在國家蛋白質科學設施（北京）的清華大學冷凍電鏡平臺完成，數據處理在國家蛋白質科學設施（北京）清華大學高性能計算平臺完成。本工作獲得國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃和北京市結構生物學高精尖創新中心等的經費支持。 

論文連結：

http://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1007236

供稿：醫學院 編輯：華山 審核：襄楠