2020年6月17日,清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王新泉教授研究組在《自然通訊》(Nature Communications)在線發(fā)表題為《HKU2和SADS-CoV刺突蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)為冠狀病毒的進(jìn)化提供了線索》(Cryo-EM structures of HKU2 and SADS-CoV spike glycoproteins provide insights into coronavirus evolution)的研究論文。豬冠狀病毒SADS-CoV于2017年在中國(guó)廣東的幾家豬場(chǎng)被發(fā)現(xiàn),其基因組與蝙蝠冠狀病毒HKU2的同源性約為95%。本文報(bào)道了HKU2和SADS-CoV刺突蛋白三聚體2.38 A和2.83 A辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)(圖一),并系統(tǒng)地比較了HKU2/SADS-CoV與其他α、β、γ和δ冠狀病毒刺突蛋白中的各個(gè)結(jié)構(gòu)域,表明HKU2/SADS-CoV的NTD和CTD分別代表了冠狀病毒刺突蛋白的原始特征。這些結(jié)果在結(jié)構(gòu)上揭示了HKU2/SADS-CoV(屬于α冠狀病毒屬)與β冠狀病毒屬之間的密切進(jìn)化關(guān)系,為冠狀病毒的進(jìn)化和跨物種傳播提供了重要的線索。
冠狀病毒包括α、β、γ和δ四個(gè)屬,在人類(lèi)、其他哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類(lèi)中的感染可引起不同程度的呼吸、消化和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。人SARS、MERS和新型冠狀病毒的傳播對(duì)全球健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。冠狀病毒感染也是家畜養(yǎng)殖業(yè)的重要威脅,以豬流行性腹瀉病毒(PEDV)為代表的豬冠狀病毒每周奪去10萬(wàn)只仔豬的生命,同時(shí)新型豬冠狀病毒也在不斷被發(fā)現(xiàn),例如2017年分離的豬急性腹瀉綜合征冠狀病毒(SADS-CoV,又稱(chēng)SeACoV和PEAV)在中國(guó)廣東省的幾家養(yǎng)豬場(chǎng)引起了仔豬嚴(yán)重水樣腹瀉,死亡率高達(dá)90%,造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失。SADS-CoV是一種α屬冠狀病毒,在α屬中具有代表性的成員有豬流行性腹瀉病毒(PEDV)、豬傳染性胃腸炎冠狀病毒(TGEV)、豬呼吸道冠狀病毒(PRCV)、貓傳染性腹膜炎病毒(FIPV)、人NL63和229E冠狀病毒(HCoV-NL63和HCoV-229E);β屬的代表性成員包括小鼠肝炎冠狀病毒(MHV)、牛冠狀病毒(BCoV)、SARS-CoV、MERS-CoV、HCoV-OC43、HCoV-HKU1和新型冠狀病毒;γ屬的代表是禽傳染性支氣管炎病毒(IBV);δ屬的代表是豬源deltacoronavirus(PdCoV)。
通過(guò)基因重組和/或突變促進(jìn)的跨物種傳播是冠狀病毒宿主范圍擴(kuò)大的基礎(chǔ)。蝙蝠是多種不同的α-和β-冠狀病毒的自然宿主,它們通過(guò)重組和/或突變帶來(lái)巨大的種間傳播潛力。有關(guān)基因進(jìn)化、受體結(jié)合和發(fā)病機(jī)制的數(shù)據(jù)表明,人類(lèi)SARS-CoV-2、SARS-CoV和MERS-CoV最有可能來(lái)源于蝙蝠。新鑒定的豬SADS-CoV與蝙蝠冠狀病毒HKU2的序列同源性約為95%,這也進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了冠狀病毒跨種傳播的嚴(yán)重后果。
SADS-CoV刺突蛋白(1130個(gè)氨基酸殘基)和HKU2刺突蛋白(1128個(gè)氨基酸殘基)是最短的冠狀病毒刺突蛋白之一,它們與其他已知冠狀病毒刺突蛋白的氨基酸序列同源性低于28%,表明HKU2和SADS-CoV在進(jìn)化中的特殊性。通過(guò)原子分辨率水平的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)測(cè)定和比較,王新泉實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)α-冠狀病毒刺突蛋白NTD有兩種亞型,HKU2/SADS-CoV的NTD屬于I亞型,而HCoV-229E的NTD屬于II亞型,這兩個(gè)亞型代表了NTD的原始結(jié)構(gòu),可能是其他屬冠狀病毒NTD的進(jìn)化祖先。HKU2/SADS-CoV的CTD是一個(gè)包含5個(gè)反向排列strand的單層β-sheet,β-冠狀病毒的CTD也具有類(lèi)似的單層核心結(jié)構(gòu),目前已知的β-冠狀病毒CTD的受體結(jié)合序列都在一個(gè)插入核心結(jié)構(gòu)中的受體結(jié)合區(qū)(receptor-binding motif,RBM)內(nèi),但RBM在HKU2/SADS-CoV的 CTD中被一段短loop取代(圖二)。該結(jié)果說(shuō)明HKU2/SADS-CoV的CTD代表單層CTD的原始結(jié)構(gòu),而β-冠狀病毒中RBM的插入可能是進(jìn)化過(guò)程中重組事件的結(jié)果。值得注意的是,來(lái)自其他α-冠狀病毒、γ-冠狀病毒IBV和δ-冠狀病毒PdCoV的CTD均由兩層β-sheet組成的雙層亞型(圖二)。這些結(jié)果進(jìn)一步證明HKU2可能是α-冠狀病毒基因組骨架與未鑒別的原始β-冠狀病毒的刺突蛋白基因進(jìn)行重組的結(jié)果。
通過(guò)比較HKU2和SADS-CoV與其他冠狀病毒刺突蛋白的結(jié)構(gòu),王新泉實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)在進(jìn)化過(guò)程中,多個(gè)NTD可以重組進(jìn)入同一個(gè)冠狀病毒中(主要表現(xiàn)在α-冠狀病毒),額外的loop區(qū)可以重組進(jìn)入NTD的核心結(jié)構(gòu),受體結(jié)合區(qū)(RBM)可以重組進(jìn)入CTD的核心結(jié)構(gòu)。這些現(xiàn)象表明,結(jié)構(gòu)域在進(jìn)化過(guò)程中可以逐漸招募新的亞結(jié)構(gòu)域,以進(jìn)行跨物種傳播并適應(yīng)不同的宿主免疫系統(tǒng),為病毒與宿主的協(xié)同進(jìn)化提供了一個(gè)生動(dòng)的例子。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王新泉教授研究組的博士生余錦芳為本文第一作者,譙淑元和郭潤(rùn)域?yàn)楣餐髡?,王新泉教授為通訊作者。電鏡數(shù)據(jù)采集和計(jì)算工作在國(guó)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。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、清華大學(xué)自主科研基金、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(zhuān)項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金等的大力支持。
圖一、HKU2和SADS-CoV的刺突蛋白三維結(jié)構(gòu)
圖二、HKU2與其他種屬冠狀病毒CTD的比較
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16876-4#Ack1
版權(quán)與免責(zé)聲明:本網(wǎng)頁(yè)的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開(kāi)發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享,并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性,也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺(tái),不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán),請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱:sales@allpeptide.com