Science | 陳冰組解析新型冠狀病毒刺突蛋白全長結構

責編 | 兮

冠狀病毒（cov）是一種有包膜的正鏈RNA病毒。它們包括嚴重急性呼吸症候群（SARS）和中東呼吸症候群（MERS），這兩種疾病都與嚴重的死亡有關。目前全球流行的疾病2019年冠狀病毒病（COVID-19）則是由一種新型病毒SARS-CoV-2引起的。膜融合是冠狀病毒侵染宿主細胞和建立感染的關鍵步驟。冠狀病毒上的刺突蛋白（S蛋白）是一種高度糖基化的I型膜蛋白，包含S1和S2兩大亞單位，並以三聚體的形式錨定在病毒膜上。其S1中的受體結合結構域（RBD）與宿主細胞受體（血管緊張素轉換酶2，Ace2)結合，並在絲氨酸蛋白酶等的進一步蛋白酶水解下，從融合前結構（prefusion)到融合後結構(postfusion)改變提供能量促使病毒和細胞膜融合。自SARS-CoV-2的基因組序列發布後，S蛋白複合物的多種結構都被解析出來，包括prefusion狀態的S蛋白胞外域結構和RBD-Ace2複合物。通過胞外域結構，科學家發現prefusion狀態的S蛋白存在兩種不同的構象「閉」和「開」。「閉」構象中RBD結構域向下（RBD-down)，受體不可及；「開」構象中RBD結構域向上(RBD-up)，使得受體更容易結合。該結構的解析快速給全球科學家開發新型冠狀病毒疫苗提供了基礎。然而，該結構中存在為了進一步穩定胞外域的多處突變，且基於其他類型冠狀病毒的研究，科學家發現靠近病毒膜的區域和跨膜區在結構和功能上也起著關鍵性作用。刺突蛋白全長結構仍然未知。

近日，來自哈佛醫學院波士頓兒童醫院的陳冰課題組（共同一作Yongfei Cai和張君）在Science雜誌上發表了題為「Distinct conformational states of SARS-CoV-2 spike protein」的文章， 在這項研究中，作者解析了S蛋白全長prefusion狀態和postfusion狀態兩種構象的結構。

在使用detergent進行純化過程中，作者發現prefusion和postfusion兩種構象均存在。通過冷凍電鏡技術，作者展示了其2.9埃（prefusion)和3.0埃（postfusion)清晰度的高清結構圖。

該研究發現，全長S蛋白prefusion狀態與已報導的胞外域S蛋白結構整體相似。不同的是:1. 該結構的N-末端如SARS-CoV樣是有序的，且通過cys15-cys136 形成二硫鍵；2.該結構發現了」融合肽近端區「片段（FPPR，828-853胺基酸）。FPPR通過內部Cys840-851二硫鍵緊緊包裹，並通過Lys835與Asp848之間的鹽橋以及周圍廣泛的氫鍵網絡進一步形成有序的結構。與已報導的胞外域RBD-up結構相比，作者發現CTD1是RBD和FPPR之間的一個結構中繼，可以感知兩側的位移。FPPR會直接影響鄰近CTD1的構象，並進一步抑制RBD從而穩定S蛋白三聚體處於閉合狀態。在該研究發表的同時，多篇有關於FPPR的功能文章也進一步證實了其重要性功能。3.與胞外域S蛋白相比，全長S蛋白三聚體更緊密。胞外域S蛋白三聚體結構中三個S1亞單位相對更往外移動約12埃，其突變K986P破壞了Lys986與Asp47/Asp428之間的鹽橋。

除此之外，該研究也解析了S蛋白postfusion狀態結構。作者發現融合後S2蛋白三聚體不僅具有非常穩定和剛性的結構，並且其表面布滿N-連接的聚糖修飾，Asn1098/Asn1134/Asn1158/Asn1173/Asn1194五個聚糖沿長軸規則間距定位，支鏈糖的結合可將postfusion狀態S蛋白與外界屏蔽。鑑於融合後S蛋白已完成任務，這種修飾機制尚不清楚。作者提出其可能是S2融合後結構也存在於感染性成熟病毒顆粒的表面，通過誘導非中和性抗體反應逃避宿主免疫系統，並保護存在於病毒顆粒表面的融合前S蛋白三聚體。近期報到的多篇冷凍斷層技術研究展示的病毒顆粒表面的S2融合蛋白三聚體的存在，提供了該假設的可能性。

綜上所述，作者首次解析了S蛋白融合前和融合後的結構，更加完善了新型冠狀病毒感染的機制。目前各種形式S蛋白相關的疫苗研究正在快速的進行動物模型的臨床前和人類的臨床試驗，該研究對當前的疫苗策略提出了一些潛在的擔憂。首先，使用S蛋白全長野生型序列的疫苗可以在體內產生作者在這裡觀察到的各種形式。融合後的構象可以暴露免疫優勢，非中和表位，分散宿主免疫系統，如其他病毒，如HIV-1和RSV。第二，通過在986和987殘基引入脯氨酸突變來穩定預融合構象的方法可能不是最佳的，因為K986P突變可能會打破原聚體之間有助於三聚體穩定性的鹽橋。由此產生的S三聚體結構具有鬆弛的頂端，可能誘導抗體不能有效識別病毒上的S三聚體，儘管它在誘導抗RBD中和反應方面可能比封閉形式更有效。第三，考慮到感染性病毒中存在融合後S2的可能性，使用β-丙內酯-滅活病毒的疫苗可能需要額外的質量控制測試。儘管在三次免疫後，PiCoVacc似乎能為非人靈長類動物提供抵禦挑戰的保護，但尚不清楚如何減少融合後S2三體的數量以避免批量變化。如果SARS-CoV-2具有季節性，並且與流感病毒一樣，隨著抗原漂移而返回，結構導向的免疫原設計可能尤為關鍵。

原文連結：

https://science.sciencemag.org/content/369/6511/1586