非典病毒与新冠病毒刺突蛋白的结构研究新发现

　　

　　近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院熊晓犁、何俊和陈凌课题组在Life Science Alliance期刊上发表题为“Disulfide stabilization reveals conserved dynamic features between SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 spikes”的研究论文。这项研究利用蛋白重组表达技术，引入设计的二硫键对非典型性呼吸道综合症病毒 (非典病毒，SARS-CoV-1) 的刺突蛋白进行工程化改造，稳定了该蛋白以前未观察到的一些稀有构象，这与新型冠状病毒 (SARS-CoV-2) 和其它沙贝病毒 (Sarbecovirus) 的刺突蛋白的某些特殊构象共享一些平行的特征，文章讨论这些保守特征可能的生物学功能。

　　刺突蛋白在冠状病毒的受体结合与介导入侵的病毒-细胞膜融合过程中有重要功能，冠状病毒的疫苗研发主要针对刺突蛋白为靶点，新冠病毒的爆发使得其刺突蛋白的结构与功能成为近年来的研究焦点之一。近年来的研究发现，新冠病毒的刺突蛋白在结构上有着很强的构象动态，存在锁定型、关闭型和打开型三种不同的融合前构象。其中，锁定构象的S蛋白具有非常紧致的结构，与能结合ACE2受体的“受体结构域（RBD）打开构象”不兼容。对于新冠病毒的S蛋白，研究表明其锁定构象在中性pH条件下仅能短暂存在，在酸性环境中更为稳定。可能由于在中性环境下锁定构象的不稳定性，之前未在非典病毒S蛋白的结构研究中观察到锁定构象。研究团队前期针对新冠病毒的S蛋白开发了可以稳定其RBD“down”构象，包括稀有锁定构象的x1，x2，x3三对二硫键1,2，在该研究中研究人员将这三对二硫键分别引入非典病毒S蛋白，发现经过改造的非典病毒S-x1，S-x2，S-x3蛋白均能得到表达和提纯，负染电镜下提纯的工程刺突蛋白形成了形态完整的颗粒，研究人员测试了S-x3蛋白的免疫效果，与未经改造的刺突蛋白相比，发现S-x3蛋白可以诱导出滴度相当的强中和小鼠血清。

　　研究人员利用冷冻电镜技术对改造后的非典病毒S蛋白进行了成像，发现非典病毒的S蛋白存在与新冠病毒S蛋白类似的两种不同的锁定型构象 locked-1（3个S蛋白亚基均为锁定-1构象）和 locked-2（3个S蛋白亚基均为锁定-2构象），以及不对称的混合型锁定构象 locked-112（3个S蛋白亚基两个为锁定-1构象，一个为锁定-2构象）和 locked-122（3个S蛋白亚基两个为锁定-2构象，一个为锁定-1构象）。除此之外，在非典病毒S-x1蛋白的关闭构象中，观察到其融合肽近端区（Fusion Peptide Proximal Region, FPPR）存在特殊的挤出型结构，显示出该区域特殊的结构动态，这种构象在新冠病毒的x1改造的S蛋白上没有被观察到。与新冠病毒S蛋白不同，低pH不能促使非典病毒S蛋白形成锁定构象。 这些结果揭示了新冠病毒和非典病毒S蛋白之间构象上的相似性和结构动态上的差异性。

　　本研究发现了非典病毒刺突蛋白存在locked-1和locked-2两种不同的锁定构象，这与新冠病毒的刺突蛋白相似。与本研究中观测到的非典病毒S蛋白的其他构象一起，说明SARS-CoV-1和SARS-CoV-2刺突蛋白存在复杂的结构动态。迄今为止，非典病毒和新冠病毒外的其它沙贝病毒的刺突蛋白主要观测到 locked-2构象，结构分析表明，尽管locked-1和locked-2构象之间的细节不同，但通过结构域D和结构域C-D铰链区之间的相互作用使得刺突蛋白的结构刚性化，维持了锁定构象的稳定，并抑制RBD运动是沙贝病毒刺突蛋白锁定构象共有的特征。沙贝病毒刺突蛋白锁定构象中抑制RBD打开机制的保守性表明，锁定构象的S蛋白三聚体可能在沙贝病毒生命周期中发挥保守功能，研究组提出锁定构象可能在病毒的组装过程中发挥功能，但是该提议还有待后续研究的证实。

　　该研究由中国科学院提供经费支持，广州医科大学，广州实验室赵金存研究组、南方科技大学王培毅研究组和广州生物岛实验室金亮研究组对该研究提供了鼎力协助。

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图1.该研究解析的不同构象的非典病毒刺突蛋白的冷冻电镜结构