【新智元導讀】日前，西湖大學周強實驗室的一項關於新冠病毒的研究登上了最新一期Science封面，該研究利用冷凍電鏡技術成功解析了此次新冠病毒的受體——ACE2的全長結構，屬全球首次。該成果最終將對研發精準的新冠肺炎診斷、治療手段起到關鍵作用。「新智元急聘主筆、高級主任編輯，添加HR微信（Dr-wly）或掃描文末二維碼了解詳情。」
中國研究又登上了Science雜誌封面!
日前，西湖大學周強實驗室的一項關於新冠病毒的研究登上了最新一期Science封面。
這項研究題為《人類ACE2識別2019-nCoV的結構基礎》「Structural basis for the recognition of SARS-CoV-2 by full-length human ACE2」，首次解析了新冠病毒細胞表面受體ACE2的全長三維結構，以及表面蛋白S受體結合結構域與細胞表面受體ACE2全長蛋白複合物的三維結構。
研究簡介：ACE2是嚴重急性呼吸系統綜合症冠狀病毒（SARS-CoV）和新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）的細胞受體，引發了新冠（COVID-19）疫情。該研究通過冷凍電鏡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，並解析了新冠病毒細胞表面受體ACE2的全長三維結構，以及表面蛋白S受體結合結構域與細胞表面受體ACE2全長蛋白複合物的三維結構。從生物物理及結構生物學的角度為冠狀病毒的識別和感染的分子基礎提供了重要的見識。
美國德克薩斯大學西南醫學中心生物物理系主任、霍華德休斯醫學研究所研究員Michael K. Rosen稱該研究在理解新冠病毒如何侵染人體細胞方面取得了重要進展，相關研究成果最終將對研發精準的新冠肺炎診斷、治療手段起到關鍵作用。
全球首次解析出新冠病毒細胞表面受體ACE2的全長三維結構
ACE2與S蛋白的前世今生
新型冠狀病毒引發的肺炎疫情，讓冠狀病毒、S蛋白、ACE2這些冷僻的生物學名詞再次進入公眾視野。解讀這項研究前，我們先來補充一些基礎知識。
研究發現，新型冠狀病毒感染人體細胞的關鍵在於冠狀病毒的S蛋白與人體ACE2 蛋白的結合。準確地說，是S蛋白「劫持」了原本是控制血壓的ACE2，通過與它的結合入侵人體。
S 蛋白全稱為spike glycoprotein （刺突糖蛋白），位於新冠病毒最外層，像一個個突起的「皇冠」。冠狀病毒正因此得名。ACE2全稱為血管緊張素轉化酶2，是人體內一種參與血壓調節的蛋白，在肺、心臟、腎臟和腸道廣泛存在。
一個人體細胞的蛋白，怎麼會與病毒發生聯繫？西湖大學特聘研究員陶亮用了一個形象的比喻：「如果把人體想像成一間房屋，把新冠病毒想像成強盜，那麼，ACE2就是這間房屋的『門把手』；S蛋白抓住了它，病毒從而長驅直入闖進人體細胞。」
SARS-CoV-2如何與人體細胞結合
科學家們正在正在爭先恐後地研究嚴重急性呼吸系統綜合症「新冠病毒2（SARS-CoV-2）」的秘密，這是大流行性疾病COVID-19的起因。病毒進入的第一步是病毒的三聚體棘突蛋白與人類受體血管緊張素轉化酶2（ACE2）的結合。Yan等人提出了人類ACE2的結構及胺基酸轉運蛋白B0AT1的複合物。在這種情況下，ACE2是二聚體。進一步的結構顯示了SARS-CoV-2的受體結合區如何與ACE2相互作用，表明兩個三聚體棘突蛋白可能與ACE2二聚體結合。這些結構為開發針對這種關鍵相互作用的療法提供了基礎。
獲得ACE2結構
ACE2長什麼樣？病毒的S蛋白是如何和ACE2結合的？周強實驗室的這次研究就是為了搞明白這個問題。搞清ACE2的結構，才好對症下藥。
第一步，他們要獲取ACE2蛋白全長蛋白，但作為膜蛋白的ACE2本身很難在體外穩定獲得。研究人員在文獻中發現ACE2與腸道內的一個胺基酸轉運蛋白B0AT1能夠形成複合物，根據過去研究胺基酸轉運蛋白複合物的研究經驗，他們判斷，這個複合物極有可能穩定住ACE2。果然，他們通過共表達的方法獲得了ACE2與B0AT1優質穩定的複合物，並利用西湖大學的冷凍電鏡平臺成功解析了其三維結構，如下圖：
上面的藍色和灰白色部分，是ACE2的兩個結構PD（肽酶結構域，peptidasedomains）和CLD（Collectrin樣域，Collectrin-like domain）。
在通過與B0AT1結合的狀態獲得ACE2的存在狀態後，就在冷凍電鏡下解析了它的三維結構：
ACE2-B0AT1 複合物的冷凍電鏡密度圖， 與上圖對應
他們獲得的解析度達到2.9埃，對於病毒識別至關重要的胞外結構域解析度為2.7埃。3埃是評價蛋白質結構解析度的分界點。3埃以內的可以認為是高解析度結構，在電子密度圖上可以很清楚的確定側鏈構象，側鏈之間的鹽鍵，氫鍵等相互作用。
ACE2-B0AT1 複合物結構圖
由圖可見，ACE2以二聚體（即兩個相同或相似的簡單結構成對出現，三聚體…X聚體以此類推，用於化學和分子生物學領域）形式存在，同時具有開放和關閉兩種構象變化，但兩種構象均含有與冠狀病毒的相互識別界面。
S蛋白如何抓住「門把手」ACE2？
RBD-ACE2-B0AT1 複合物結構圖
他們發現，在形態上，新冠病毒的S蛋白像一座橋橫跨在ACE2表面，又像病毒的一隻手，緊緊抓住ACE2，這一點與SARS病毒很相似。新冠病毒S蛋白的受體結合結構域與SARS病毒的序列也非常像，相似性達到82%。
RBD和ACE2的相互作用示意圖。RBD是新冠病毒S蛋白受體結合結構域，相當於病毒的S蛋白伸出來抓ACE2的那根小手
進一步分析，研究人員可以看到新冠病毒表面的S蛋白到底是由哪些胺基酸與ACE2相互作用。對比此前已經解析出來的SARS病毒與ACE2的相互作用，新冠病毒S蛋白有一部分胺基酸殘基發生了較大改變。這也許可以解釋為什麼新冠病毒和SARS與ACE2的結合能力不一樣，這種結合能力可能影響了病毒的傳染力。但究竟是增強還是減弱，還需要通過其他實驗手段驗證。
3月初美國華盛頓大學團隊發現新冠病毒與人體ACE2蛋白的結合能力明顯高於SARS與人ACE2的親和力。這項研究與美國德克薩斯大學奧斯汀分校科研團隊的結論相同，後者發現新冠病毒與ACE2親和力比SARS要高10到20倍。
RBD-ACE2-B0AT1 複合物與冠狀病毒S蛋白的結構比較，二者通過RBD結構域錨定在一起（左，新型冠狀病毒2019-nCoV；右，SARS-CoV）
研究意義：看清結構有力支持了藥物研發
西湖大學周強團隊在接受新京報專訪時表示，此次對複合物結構的解析屬於基礎研究領域的突破。看清ACE2及其與新冠病毒S蛋白相互作用的結構，相當於看清了「敵人的樣子」，為後續科學家的靶向藥物研究提供了更多信息。
本研究也為理解新冠病毒侵染細胞提供了很多有趣的線索：
比如，ACE2的二聚體與新冠病毒S蛋白的三聚體是否可以發生更高層級的交聯，從而促進病毒與宿主細胞膜的融合或者內吞？之前有研究表明ACE2的胞外區如果被切割，將會更有效地促進冠狀病毒的侵染，但是ACE2與B0AT1的複合物結構顯示B0AT1的存在有可能阻礙蛋白酶靠近這個切割位點，這是否解釋了病毒侵染症狀主要發生在沒有B0AT1的肺部？
該項研究成果的另一個意義在於，計算生物學的研究人員可以在此基礎上去構建不同的模型，進而展開具有針對性的研究，判斷什麼樣的突變可能會進一步提高S蛋白與ACE2的相互作用，從而設計針對S蛋白或者ACE2蛋白的藥物和抗體；又或者設計小分子破壞它們之間的相互作用。這些都為藥物設計和檢測手段開發提供了堅實的基礎。
清華大學全球健康與傳染病研究中心主任張林琦教授解釋道，研究「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」。
顏寧教授弟子，研究作者簡介
這項研究共有6位參與，其中5位來自西湖大學生命科學學院，還有一位來自清華大學生命科學學院。
第一作者：鄢仁鴻（左），通訊作者：周強（右）
鄢仁鴻，西湖大學生命科學學院博士後。本科就讀於山東大學，博士師從顏寧教授，畢業之後前往西湖大學從事博士後研究工作。
周強，西湖大學生命科學學院研究員。2000年考入清華大學，攻讀學士學位之後，又師從隋森芳院士攻讀博士學位。博士畢業後繼續留實驗室從事博士後研究工作，2015年博士後出站後在清華大學醫學院顏寧教授課題組任副研究員。2019年初加盟西湖大學擔任西湖學者、特聘研究員，開展獨立研究工作。
此前，周強團隊的兩項類似成果已分別於北京時間2月19日、2月21日在預印版平臺bioRxiv發布，詳見《西湖大學重磅新研究！深入破解新冠病毒如何侵入人體》。
周強
周強團隊之所以能在這麼短的時間裡接連取得成果得益於常年的積累。過去兩年，周強團隊一直在西湖大學從事人源胺基酸轉運蛋白的研究。這一過程中，他們圈定了一批重要的蛋白質為研究對象，其中就有ACE2。曾在北京親歷過SARS的周強，對那場疫情記憶深刻，SARS就是通過ACE2入侵人體的，他覺得這是非常重要的一個研究對象，儘管那時對ACE2的研究並非熱門。
2019年底，新型冠狀病毒感染肺炎疫情在武漢爆發，這一次，病毒又是以ACE2為突破口進入人體。周強很快意識到疫情的嚴重性，立即將對新型冠狀病毒與全長ACE2的結構解析提到最高優先級。與此同時，學校與科研相關的冷凍電鏡中心、超算中心也行動起來，無論是在校留守的還是遠程介入的，所有人都全力以赴，支持研究快速推進。
分析ACE2全長結構、獲取新型冠狀病毒S蛋白、獲取S蛋白與ACE2複合物、解析複合物結構……這個小而精的團隊晝夜不停地運轉，最終以超乎尋常的速度，成功「復現」新型冠狀病毒侵染人體那一刻。
參考連結：
1.西湖大學周強團隊，Structural basis for the recognition of the 2019-nCoV by human ACE2, Science, 27 Mar 2020，揭示新冠病毒和ACE2蛋白結合的結構:
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.19.956946v1
2.美國華盛頓大學團隊，Structure, function and antigenicity of theSARS-CoV-2 spike glycoprotein, Cell, available online 9 March 2020，揭示新冠病毒具備傳染性的原因：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867420302622
3.美國德克薩斯大學奧斯汀分校團隊，Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation，Science, 13 Mar 2020，揭示了新冠病毒S蛋白結構：
https://science.sciencemag.org/content/367/6483/1260
https://view.inews.qq.com/a/20200305A04C2V00
https://en.westlake.edu.cn/academics/School_of_Life_Science/About/Faculty/201912/t20191202_2395.shtml