2021年3月4日,清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院丁強課題組聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)張榮和袁正宏團隊在《PNAS》(美國國家科學(xué)院院刊)發(fā)表題為“Functional and Genetic Analysis of Viral Receptor ACE2 Orthologs Reveals a Broad Potential Host Range of SARS-CoV-2”(新冠病毒受體ACE2同源基因的功能和遺傳分析揭示其廣泛的潛在宿主范圍》)的研究成果。該研究發(fā)現(xiàn)44個物種,包括家畜、寵物以及動物園中的動物的細胞表面受體血管緊張素轉(zhuǎn)化酶II(ACE2)可以與新冠病毒的刺突蛋白(Spike,S)結(jié)合從而介導(dǎo)SARS-CoV-2進入靶細胞。該研究為新冠病毒潛在的宿主范圍和跨物種傳播提供了細胞水平上的實驗證據(jù),表明新冠病毒可能具有廣泛的宿主范圍,提示了監(jiān)測潛在宿主對于控制疫情反復(fù)的重要性。
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圖1.尋找SARS-CoV-2的中間宿主
(圖源:https://www.nature.com/articles/d41586-021-00531-z,作者:David Parkins)
新冠疫情已對全球公共衛(wèi)生安全和經(jīng)濟發(fā)展造成了重大威脅,但其潛在的宿主目前仍不清楚。對疫情防控來說,找到新冠病毒的中間宿主極為重要,只有確定中間宿主才能切斷“動物傳人”的源頭,防止病毒再次傳播。目前通過基因組分析認為SARS-CoV-2的源頭很可能是蝙蝠,但蝙蝠直接將病毒傳染給人類的概率很小,所以可能有其他哺乳動物物種充當了中間宿主的角色,病毒在中間宿主體內(nèi)進化后最終獲得了感染人的能力。
為了明確新冠病毒的宿主范圍,研究人員首先根據(jù)SARS-CoV-2的S蛋白與ACE2的結(jié)構(gòu)信息,確定了5個位于結(jié)合界面上高度保守的關(guān)鍵氨基酸。以這5個氨基酸作為篩選標準,從將近300個ACE2同源序列中篩選出了80個同源序列,并發(fā)現(xiàn)這些可能與新冠S蛋白結(jié)合的ACE2序列均來自于哺乳動物。接下來,研究者選擇了48個有代表性的ACE2同源序列在無內(nèi)源ACE2表達的人非小細胞肺癌細胞(A549)中表達,包括家畜、寵物,動物園和水族館中的動物等與人類接觸密切的物種。首先通過結(jié)合實驗評估不同物種ACE2結(jié)合S蛋白的能力,即將SARS-CoV-2的S1蛋白與過表達不同物種ACE2的A549細胞共孵育。結(jié)果發(fā)現(xiàn)除了三種新世界猴(白色簇絨耳狨猴、松鼠猴和簇毛捲尾猴)、考拉、鼬科動物(雪貂,水貂)的ACE2檢測不到與S1蛋白的結(jié)合之外,其余物種的ACE2與S1蛋白均有較強的結(jié)合。接下來,為了直接評估不同ACE2介導(dǎo)病毒進入細胞的功能,研究者用 SARS-CoV-2活病毒感染過表達ACE2的A549細胞,結(jié)果與上述結(jié)合實驗的結(jié)果一致,表達三種新世界猴子和考拉ACE2的細胞不能被病毒感染,過表達水貂和雪貂ACE2的細胞僅檢測到較少的病毒感染信號,其它物種ACE2過表達細胞中均檢測到了大量病毒感染信號(圖2)。該結(jié)果表明多個物種ACE2可能都具有介導(dǎo)新冠病毒進入的潛力,因此SARS-CoV-2可能具有廣泛的宿主范圍。
此外,對于三種新世界猴ACE2不能介導(dǎo)新冠病毒進入的現(xiàn)象,研究者分析了ACE2與S蛋白結(jié)合界面上的氨基酸序列。發(fā)現(xiàn)在新世界猴ACE2序列中這些位點保守性較低,并且新世界猴ACE2的H41和E42與其他物種ACE2高度保守的Y41和Q42不一致。研究者通過結(jié)合實驗和病毒感染實驗進一步證明了這兩個位點的重要性,將這兩個氨基酸突變?yōu)閅和Q后,使新世界猴的ACE2獲得了支持新冠病毒進入細胞的能力。
圖2.對不同物種ACE2介導(dǎo)SARS-CoV-2真病毒入侵的功能評估
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院劉迎輝博士,復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院胡高維、王玉燕,清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生任文琳、研究助理趙小敏為并列第一作者。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院丁強研究員、復(fù)旦大學(xué)張榮研究員和袁正宏教授為共同通訊作者。該研究由國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計劃、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心以及清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心等資助完成。
原文鏈接:https://www.pnas.org/content/118/12/e2025373118
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