新冠相关冠状病毒 S 蛋白研究：揭示结构与受体结合机制

为探究 SARSr-CoV S 蛋白与 hACE2 结合机制，研究人员解析其结构，发现关键突变可影响结合，意义重大。

　　

研究背景：新冠相关冠状病毒的谜团与挑战

在病毒的微观世界里，新冠相关冠状病毒（SARSr-CoV）一直是科学界密切关注的焦点。严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）和严重急性呼吸综合征冠状病毒 2（SARS-CoV-2）的出现，给全球公共卫生带来了巨大挑战。它们跨越物种屏障感染人类，而这一过程中，病毒表面的刺突蛋白（S 蛋白）起着关键作用。S 蛋白通过与人类血管紧张素转化酶 2（hACE2）受体结合，帮助病毒进入人体细胞。

然而，关于 SARSr-CoV 的 S 蛋白与 hACE2 受体的高亲和力和特异性结合机制，科学界尚未完全了解。随着研究的深入，在马蹄蝠中发现了大量与 SARS-CoV 和 SARS-CoV-2 基因相关的冠状病毒，这些蝙蝠冠状病毒构成了 SARSr-CoV 物种。但不同的 SARSr-CoV 毒株，其 S 蛋白利用 ACE2 的能力差异很大，这种差异背后的机制尚不清楚。这就像隐藏在病毒世界里的神秘谜题，吸引着科研人员去探索。为了揭开这些谜团，来自多个研究机构的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究方法：探索病毒奥秘的 “钥匙”

研究人员采用了多种关键技术来深入探究 SARSr-CoV S 蛋白的奥秘。冷冻电镜（cryo-EM）技术是其中的核心手段，它能够让研究人员 “看清” S 蛋白的三维结构，为后续分析提供基础。通过构建系统发育树，研究人员对不同 S 蛋白进行分类和筛选，挑选出具有代表性的样本。定点突变技术则用于改变 S 蛋白的氨基酸序列，从而研究特定突变对 S 蛋白与 ACE2 结合能力的影响。此外，生物层干涉测量（BLI）和细胞融合实验等技术，帮助研究人员量化 S 蛋白与 hACE2 和蝙蝠 ACE2（bACE2）的结合亲和力，以及评估 S 蛋白介导细胞融合的能力。

研究结果：解锁 S 蛋白的秘密

1. S 蛋白的结构特征：研究人员解析了来自亚洲、欧洲和非洲的 8 种不同 SARSr-CoV 的 S 蛋白冷冻电镜结构。这些 S 蛋白都呈现紧密包装、锁定的前融合构象。通过与 SARS-CoV-2 的结构对比发现，它们的 RBD 都处于 “向下” 位置，且具有相似的整体结构。不过，在一些区域也存在差异，比如 Domain D 的构象动态变化以及 FPPR 区域的结构差异，这些差异可能影响 S 蛋白的活性。
2. S 蛋白与小分子的结合：在部分 S 蛋白中，研究人员发现了与小分子结合的现象。在 BM48 - 31 和 BANAL - 20 - 52 的 RBD 中，检测到与亚油酸（LA）结合的密度，这可能有助于稳定 S 蛋白的锁定构象。同时，在 BANAL - 20 - 52、BtKY72 和 YN2013 的 S 蛋白 NTD 中，发现了与胆绿素结合的迹象，这可能与免疫反应调节有关。
3. RBD 结构的差异：SARSr-CoV 的 RBD 结构存在明显差异，根据这些差异可将其分为三种类型。Type - 1 的 RBD 具有完整的延伸环结构，包括 “lamella”（LM）、“large loop”（LL）、“anchor loop”（AL）和 “small loop”（SL）等结构，SARS-CoV 和 SARS-CoV-2 的 RBD 属于这一类型。Type - 2 的 RBD 缺失了 SL，而 Type - 3 的 RBD 则同时缺失了 SL 和 LL。这些结构差异影响了 RBD 与 ACE2 的结合能力。
4. RBD - RBD 界面的变化：不同类型的 S 蛋白，其 RBD - RBD 界面也存在显著差异。Type - 1 的 BANAL - 20 - 52 S - 三聚体结构中，RBM LM 区域的残基高度保守；Type - 2 的 RBD 在 LM 区域常出现碱性氨基酸；Type - 3 的 S - 三聚体结构中，由于 LL 的缺失，RBD - RBD 界面变化明显，且该界面的许多可变残基在 SARS-CoV-2 的抗原进化中也发生了改变。
5. S 蛋白与 ACE2 的结合特性：通过 BLI 实验和细胞融合实验，研究人员发现只有 BANAL - 20 - 52 和 BANAL - 20 - 236 的 S 蛋白能够与 hACE2 结合，且亲和力与 SARS-CoV-2 相当。而其他 S 蛋白，如 BtKY72 的 S 蛋白，虽然不能与 hACE2 结合，但能选择性地与 bACE2 结合。进一步研究发现，BtKY72 的 S 蛋白与 bACE2 结合的结构中，存在一些与 SARS-CoV-2 与 hACE2 结合不同的相互作用。
6. 获得高亲和力 hACE2 结合的机制：为了探究 BtKY72 的 S 蛋白如何获得高亲和力的 hACE2 结合能力，研究人员进行了定点突变实验。结果表明，单个突变对 hACE2 结合的影响较弱，而多个 RBM 区域的协同突变能够显著增强 hACE2 结合能力。例如，LL + LM + AL + SL 四突变体的 hACE2 亲和力几乎与 SARS-CoV-2 相当。同样的策略应用于 BM48 - 31 的 S 蛋白，也能使其获得 hACE2 结合能力，不过亲和力相对较弱。

研究结论与意义：照亮病毒研究的新方向

这项研究通过解析多种 SARSr-CoV S 蛋白的结构，深入探讨了其与 ACE2 的结合机制。研究结果表明，SARSr-CoV S 蛋白的 RBM 区域中，多个区域的协同作用决定了其与 ACE2 的结合亲和力。这一发现为理解 SARSr-CoV 的进化、跨物种传播以及潜在的疫情风险评估提供了重要依据。同时，也为开发针对 SARSr-CoV 的预防和治疗策略提供了新的靶点和思路。虽然研究揭示了一些关键机制，但也发现不同类型 RBD 的 S 蛋白在获得高亲和力 hACE2 结合能力方面存在遗传屏障。这意味着未来仍需要持续监测和研究，以发现可能具有强 hACE2 亲和力的 SARSr-CoV，为全球公共卫生安全保驾护航。