鄭鵬課題組eLife報道新冠突變研究工作并被世衛(wèi)報告引用
新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)在過去不到兩年的時間里在全世界蔓延，目前超過2億人次被感染，四百萬人因此失去生命，給人類社會造成了巨大的危害。而新冠病毒（SARS-CoV-2）是導致該疾病的主要病原體。作為一種單鏈RNA病毒，SARS-CoV-2的突變速度很快。近期各地出現(xiàn)的多種不同的新冠病毒變異株讓疫情雪上加霜。為了最終戰(zhàn)勝病毒保護人類，科研和醫(yī)務工作者作出了巨大的努力研究病毒的傳播機制、感染特點,致力于開發(fā)相應的快速檢測、免疫和治療方法。目前已知，病毒感染人體的第一步，是由病毒上刺突蛋白Spike的受體結(jié)合域(RBD)與人類血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(ACE2)之間，通過氨基酸的非共價相互作用結(jié)合。因此RBD蛋白結(jié)構(gòu)上的氨基酸的種類決定了其黏附人體受體細胞的強度和能力。而近期出現(xiàn)的多種具有更強傳染性和潛在危害的新冠變異株在RBD部位都出現(xiàn)了氨基酸突變。例如在變異株Alpha(B.1.1.7)、Beta(B.1.351)和Gamma（P.1）的刺突蛋白RBD區(qū)域都出現(xiàn)了N501Y的氨基酸突變，該突變可能是導致病毒對人類具有更強的傳染性的原因之一。
南京大學化學化工學院鄭鵬教授與生命科學學院董咸池教授、童貝老師合作，利用單細胞力譜技術(shù)(Single-cell Force Spectroscopy)、分子動力學模擬和經(jīng)典的蛋白結(jié)合動力學測量技術(shù)，進行了實驗和理論相結(jié)合、多學科多手段的交叉研究工作。通過定量測量和原子水平的分子動力學模擬，發(fā)現(xiàn)RBD結(jié)構(gòu)域上的N501Y突變導致這些變異株具有更強結(jié)合人體受體蛋白ACE2的能力，極大的提高了病毒黏附細胞的強度和概率，可能是導致這幾類類新冠變異株病毒在最近一年廣為擴散的重要原因之一。值得一提的是，該研究成果被八月份剛出版的世界衛(wèi)生組織(WHO)新冠變異株監(jiān)控報告所引用，作為介紹該突變影響的重要參考文獻(https://apps.who.int/iris/handle/10665/343775)。
圖1. 熒光定量檢測揭示N501Y突變與ACE2具有較高的結(jié)合親和力?
在文章中，作者首先通過經(jīng)典的表面等離子體共振（SPR）和熒光激活細胞掃描檢測發(fā)現(xiàn)，Alpha變體的N501Y突變與細胞表面ACE2的結(jié)合親和力約為野生型RBD蛋白的4倍，而Beta型的三突變（N501Y、K417N和E484K）RBD蛋白與野生型的親和力相似，且單個的K417N和E484K突變也表現(xiàn)出略弱或相似的親和力。基于以上表明，N501Y的突變，是RBD蛋白結(jié)合ACE2具有較高結(jié)合親和力的關(guān)鍵氨基酸。
圖2. 單細胞力譜實驗定量測量各類RBD突變體結(jié)合ACE2的強度和概率?
進一步，作者采用基于原子力顯微鏡的單細胞力譜技術(shù)（Atomic force microscopy-based single cell force spectroscopy, AFM-SCFS）定量測量了各類RBD蛋白突變體在活細胞表面的結(jié)合強度。實驗利用天冬酰胺連接酶OaAEP1酶連的方法將不同的RBD蛋白特異性的固定在AFM的針尖上，通過針尖移動去接觸細胞表面的ACE2，從而精準的測量RBD-ACE2蛋白之間的相互作用力。通過測量得到兩種突變蛋白與ACE2的結(jié)合力約為60 pN。相比于野生型蛋白（49 pN），其結(jié)合力明顯提高約15%。同時在相同條件下測量了突變體以及野生型與ACE2的結(jié)合概率，突變蛋白與ACE2的結(jié)合概率（約10%）也明顯大于野生型的RBD蛋白（3%）。通過該實驗顯示出兩種突變體都具有更高的結(jié)合力和結(jié)合概率。
圖3. 拉伸分子動力學模擬揭示各類RBD-ACE2復合物相互作用的結(jié)構(gòu)細節(jié)
最后，文章對RBD-ACE2復合物進行了拉伸分子動力學模擬（SMD），從原子水平揭示了復合物相互作用可能的結(jié)構(gòu)細節(jié)。通過模擬發(fā)現(xiàn)，RBD蛋白N501Y的突變，與ACE2上的Y41和K353氨基酸，分別形成了穩(wěn)定的π-π、陽離子-π相互作用，從而加強了他們之間的相互作用。綜上所述，這項工作發(fā)現(xiàn)了新冠病毒變異株種RBD的N501Y突變導致其與人體受體細胞ACE2的結(jié)合強度和概率都大為提高，是這些變異株具有更高傳率的重要原因之一。同時該工作也揭示了RBD區(qū)域的關(guān)鍵氨基酸突變是提高新冠病毒變異株感染率的原因之一。我們必須對該蛋白區(qū)域的氨基酸突變保持警惕和監(jiān)控，從而更好的預防和應對將來可能出現(xiàn)的更具有危害性的新冠病毒變異株。
相關(guān)研究成果以“N501Y Mutation of Spike Protein in SARS-CoV-2 Strengthens its Binding to Receptor ACE2”為題在線發(fā)表在國際著名期刊eLife上(https://elifesciences.org/articles/69091)。南京大學2018級博士生田芳與生命科學學院童貝為本文的共同第一作者。此項研究得到了配位化學國家重點實驗室、南京大學化學和生物醫(yī)藥創(chuàng)新研究院(ChemBIC)和南京大學高性能計算中心的大力支持，也得到了國家自然科學基金和江蘇省自然科學基金等經(jīng)費的支持。?
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