综述：平衡稳定与功能：SARS-CoV-2 Omicron刺突蛋白表面电荷的影响

《npj Viruses》：Balancing stability and function: impact of the surface charge of SARS-CoV-2 Omicron spike protein

本文系统综述了Omicron变异株刺突蛋白（S蛋白）表面电荷增加对宿主细胞结合与结构稳定性的双重影响。通过分析热稳定性数据（Tm1/Tm2）和表面电位变化，揭示补偿性突变如何维持刺突蛋白（ECD）的构象稳定性，同时增强与硫酸乙酰肝素（HSPG）的静电相互作用，为病毒适应性进化提供新见解。

　　

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表面电荷演化与Omicron刺突蛋白的功能平衡
SARS-CoV-2 Omicron变异株的刺突蛋白（S蛋白）通过增加表面正电荷（如BA.1净电荷+9）显著提升与宿主细胞表面负电性硫酸乙酰肝素（HSPG）的初始结合能力。这种静电相互作用促进病毒附着，但可能破坏蛋白质稳定性。热稳定性研究揭示两个关键转变温度：Tm₁（45-55°C）反映受体结合域（RBD）构象灵活性，Tm₂（64-70°C）对应整个胞外域（ECD）的解折叠。尽管部分突变（如RBD区域电荷增加）具有潜在 destabilizing 效应，补偿性突变（如脯氨酸插入）维持了ECD的总体稳定性，实现功能与结构的微妙平衡。

电荷分布与病毒适应性
Omicron BA.1的刺突蛋白头部区域正电荷密度显著高于野生型（wt），而茎部（S2亚基）保持电中性。这种电荷分布模式在后续变异株（如BA.2、XBB.1.5）中得以保留，但未进一步强化。表1数据显示，JN.1与KP.3的净电荷（+9）与BA.1相当，暗示进化压力限制了电荷过度增加。表面电位计算（图2）证实，正电荷富集区域集中于RBD和N端域（NTD），与HSPG结合位点重叠，而保守的茎部结构维持了膜融合功能所需的刚性。

热稳定性揭示的构象动态
差示扫描荧光法（DSF）和量热法（DSC）数据显示，Omicron的Tm₁较wt降低约4K（图3c），表明RBD构象转换能垒减小。冷冻电镜研究支持Tm₁对应RBD"上下"状态转换，而BA.1的RBD更倾向"开放"构象以缓解单体间静电排斥。值得注意的是，Tm₂在变异株中保持稳定（图4b），说明整体ECD折叠未受电荷增加显著影响。这种"局部柔性-全局稳定"的特性可能优化了病毒对ACE2的识别效率与免疫逃逸能力。

进化中的稳定化机制
Omicron通过多重策略抵消电荷增加的 destabilizing 效应：

1. ?脯氨酸稳定化：S2亚基插入2-6个脯氨酸（如P986/P987），增强prefusion构象；
2. ?表位补偿：非电荷突变（如N501Y）通过远程相互作用平衡RBD稳定性；
3. ?糖基化修饰：保守的N-糖基化位点（如N165/N234）屏蔽表面电荷并保护蛋白水解切割位点。
   这些机制解释了为何后续变异株未继续增加正电荷——过度电荷可能破坏prefusion态的亚稳态平衡，导致膜融合功能异常。

生物学启示与未解问题
鼻腔低pH环境（5.5-6.5）会进一步放大刺突蛋白正电性，增强HSPG结合但可能影响构象动力学。当前进化轨迹显示，病毒在电荷介导的宿主粘附与结构稳定性间达到最优平衡。未来研究需关注：

1. 新型变异株（如KP.3）的冷冻电镜结构解析；
2. 局部电荷簇（如RBD的K417N/E484K组合）对抗体逃逸的贡献；
3. 糖基化模式变化对稳定性的调控作用。这些发现为广谱抗病毒药物设计提供了电荷互作靶点的新视角。