最新研究丨揭示COVID-19超高传染性之谜，刺突蛋白与人ACE2亲和力远高于SARS

北京时间2月16日凌晨，来自美国得克萨斯大学奥斯汀分校疫苗研究中心的McLellan团队在生物学预印本网站BioRxiv上发表了新型肺炎病毒的核心组件Spike糖蛋白3.5埃的冷冻电镜结构。该研究小组基于前期报道的2019-nCov基因组序列，并在Spike蛋白C端S2融合区域插入2个脯氨酸以增加蛋白的稳定性，最终在293F细胞系中成功表达并纯化出2019-nCov Spike蛋白的细胞外结构域，然后通过冷冻电镜的方式解析出3.5埃的原子分辨率结构。Spike蛋白二级结构（图一）以及纯化结果（图二）如下：（图一）（图二·）该结构显示（图三），Spike蛋白结构是由3个Spike单体形成的不对称的倒圆锥形结构，其中和ACE2结合的单体RBD结构域（绿色飘带结构）位于距离病毒包膜最远端的椎体底部，并处于不稳定的向上开放的预结合状态，而另外2个单体的RBD结构域（灰白表面结构）则处于向下关闭的稳定状态。进一步分析显示，与SARS-CoV或MERS-CoV S相似，S1亚基中的RBD也经历了铰链运动，该运动使得3个RBD中的其中1个采用向上螺旋突出的构象与宿主细胞上的ACE2受体结合，并最终形成1:1的结合模式（图四B）那么，2019-nCov的S蛋白和ACE2受体的结合能力有多强呢？SPR实验测定结果（图四A）表明两者之间的亲和力达到了15nM左右，是SARS-CoV S蛋白和ACE2结合能力的10~20倍左右，这种高强度的结合能力或许部分解释了2019-nCov传染性如此之强的原因。（图三）（图四）通过将2019-nCov S蛋白的结构与SARS S蛋白结构进行比对后发现，两者整体结构非常相似，RMSD（结构测量的差异指标，数值越小说明差异越小）的值大约为3.8埃左右，两者之间最大的不同是向下结构中的RBD结构域(图五绿色区域)之中。除此之外，其它结构部分的差异不超过3埃。基于2019-nCov S蛋白的结构与SARS S蛋白结构高度的同源性，科研人员对已公布的针对SARS病毒的RBD设计的单克隆抗体S230、m396以及80R在2019-nCov上进行交叉反应测试（图六）。结果表明尽管两者之间的结构高度相似，但是2019-nCov与这些抗体并没有结合。该结果提示设计针对2019-nCov S蛋白的抗体时，不仅需要考虑S蛋白本身与ACE2的亲和力高达14.7nM，而且需要考虑到该蛋白RBD结构域与ACE2受体结合的独特性，具体的结合机制需要后期进一步解析2019-nCov S蛋白与ACE2受体结合的复合物的原子分辨率结构。（图五）（图六）总的来说，该研究组的研究工作使得人们从原子分辨水平观察到了2019新型冠状病毒的刺突蛋白结构，为后面的疫苗开发以及抗病毒药物的设计奠定了重要的科学基础，坚信在不久的将来人类一定能够战胜该病毒。思考该研究首次报道了2019-nCov S 蛋白的电镜结构，分析比较了其与SARS-Cov和MERS-Cov S的异同，虽然在序列和结构上都高度相似，但令人惊讶的是2019-nCov S 与ACE2的结合力竟然比SARS-Cov S高出10倍，这与先前的计算模型结果大相径庭；虽然亲和力是否与传染性直接相关需要进一步分析，但为其传染性（2019-nConV R0=3.77）提供了生物化学依据，同时提示了2019-nCov S与ACE2的结合模型很可能与SRAR-Cov S存在较大差异；期待2019-nCov S与ACE2复合物结构的研究结果，可能进一步明确该病的来源提供线索。
（责任编辑：xsq）