生命學(xué)院王新泉課題組解析蝙蝠冠狀病毒RaTG13和穿山甲冠狀病毒PCoV_GX刺突蛋白結(jié)構(gòu)，為理解新冠病毒的進(jìn)化提供線索
新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）對公共健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重?fù)p失，其進(jìn)化起源仍是一個(gè)謎。目前的研究結(jié)果提示，包括蝙蝠、穿山甲和水貂等在內(nèi)的野生動(dòng)物可能是新冠病毒的自然宿主，經(jīng)過適應(yīng)性和積累突變，新冠病毒可能通過其他動(dòng)物宿主（中間宿主）最終傳播到人，而我們對其跨物種傳播途徑和進(jìn)化分子機(jī)制目前也知之甚少。冠狀病毒表面的刺突蛋白（spike）在病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞過程中負(fù)責(zé)識(shí)別受體和介導(dǎo)膜融合，刺突蛋白在氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)水平上的分子進(jìn)化影響其對不同物種受體的識(shí)別，因而刺突蛋白是冠狀病毒進(jìn)化過程中的關(guān)鍵分子，其分子進(jìn)化是冠狀病毒實(shí)現(xiàn)跨物種傳播的關(guān)鍵因素。
冠狀病毒RaTG13從中國云南省中華菊頭蝠中分離，是目前已知與新冠病毒基因組序列最接近的冠狀病毒（序列一致性96.2%）。在廣西省和廣東省查獲的境外走私穿山甲樣品中發(fā)現(xiàn)的多株冠狀病毒（Pangolin coronavirus, PCoV)，其基因組與新冠病毒基因組序列一致性也達(dá)到了85.5% -92.4%。2021年3月11日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王新泉教授課題組報(bào)道了RaTG13和PCoV_GX刺突蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)比較、序列比對和一系列生化和假病毒侵染實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為深入理解新冠病毒通過刺突蛋白進(jìn)化獲得強(qiáng)感染力的分子機(jī)制提供了重要的結(jié)構(gòu)信息。
此項(xiàng)研究之前，多個(gè)研究組報(bào)道了新冠病毒刺突蛋白的三維空間結(jié)構(gòu)，其受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（receptor-binding domain, RBD）存在 “up”和“down”兩種構(gòu)象，而只有呈現(xiàn)“up”構(gòu)象的RBD才能夠結(jié)合ACE2受體。王新泉研究組發(fā)現(xiàn)RaTG13和 PCoV_GX刺突蛋白結(jié)構(gòu)中，其RBD只呈現(xiàn)出“down”的構(gòu)象（圖1a）。然而，進(jìn)一步研究表明，PCoV_GX刺突蛋白與ACE2的結(jié)合能力與新冠病毒相當(dāng)，且其假病毒也具有侵染細(xì)胞的能力；而RaTG13刺突蛋白與ACE2的結(jié)合能力和其假病毒侵染細(xì)胞能力都很弱（圖1b）。通過定點(diǎn)突變、親和力測定以及假病毒侵染實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)刺突蛋白R(shí)BD上第449位，501位和505位的氨基酸變化是導(dǎo)致RaTG13與新冠病毒在受體結(jié)合及假病毒侵染能力差異的重要位點(diǎn)（圖1c）。RaTG13 刺突蛋白R(shí)BD上 D501N突變對其ACE2親和力影響最大，結(jié)合能力提高了~9倍。值得注意的是，新冠病毒刺突蛋白R(shí)BD上同樣位點(diǎn)的氨基酸變化（N501Y）在新冠病毒英國突變株B1.1.7、南非突變株B.1.351和巴西突變株P(guān).1中均出現(xiàn)。通過對RaTG13和PCoV_GX刺突蛋白與ACE2復(fù)合物的負(fù)染電鏡研究，研究人員還發(fā)現(xiàn)ACE2的出現(xiàn)能夠誘導(dǎo)并穩(wěn)定PCoV_GX刺突蛋白上RBD的“up”構(gòu)象，而對RaTG13刺突蛋白則沒有作用。以上研究共同提示，刺突蛋白R(shí)BD的靈活構(gòu)象變化以及某些關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)的突變，對新冠病毒進(jìn)化獲得強(qiáng)受體結(jié)合以及細(xì)胞侵染能力至關(guān)重要。
圖1 a. RaTG13和PCoV_GX刺突蛋白三維結(jié)構(gòu)；b. SARS-CoV-2, RaTG13和PCoV_GX假病毒入侵細(xì)胞的效率；c. SARS-CoV-2與RaTG13 RBD上導(dǎo)致與受體親和力差異的重要氨基酸位點(diǎn)
該研究工作在《自然通訊》（Nature Communications）上發(fā)表，題為《蝙蝠和穿山甲冠狀病毒刺突蛋白的結(jié)構(gòu)為SARS-CoV-2的進(jìn)化提供了線索》 (Bat and pangolin coronavirus spike glycoprotein structures provide insights into SARS-CoV-2 evolution)。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王新泉教授為本文的通訊作者，王新泉教授課題組博士生張姝媛、譙淑元、余錦芳和曾建偉博士為主要工作完成者，醫(yī)學(xué)院張林琦教授課題組博士生單思思完成假病毒侵染實(shí)驗(yàn)。電鏡數(shù)據(jù)采集和計(jì)算工作在國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施的冷凍電鏡平臺(tái)和生物計(jì)算平臺(tái)完成，質(zhì)譜分析工作在代謝與脂質(zhì)組學(xué)平臺(tái)完成。本工作獲得北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、北京市生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、蛋白質(zhì)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃專項(xiàng)、清華大學(xué)“春風(fēng)基金”的大力支持。
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