清華大學(xué)王新泉、向燁研究組發(fā)文揭示SARS-CoV 表面刺突糖蛋白與受體的復(fù)合物結(jié)構(gòu)以及刺突糖蛋白介導(dǎo)病毒膜融合的動態(tài)構(gòu)象變化
8月13日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院向燁副教授、生命科學(xué)學(xué)院王新泉教授在《公共科學(xué)圖書館·病原體》（Plos Pathogens）期刊在線發(fā)表題為《SARS冠狀病毒刺突糖蛋白與其受體ACE2復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)》（Cryo-EM structure of the SARS coronavirus spike glycoprotein in complex with its host cell receptor ACE2）的研究論文。該兩個研究組曾于2017年在《細胞研究》（Cell Research）雜志上報道SARS冠狀病毒刺突糖蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并提出了其結(jié)合受體所必需的構(gòu)象狀態(tài)。本論文在前論文的基礎(chǔ)上深入研究，首次解析了高致病冠狀病毒SARS-CoV 表面刺突糖蛋白（S）與其受體ACE2復(fù)合物的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，并捕捉到S蛋白在結(jié)合受體后發(fā)生的多種構(gòu)象變化，揭示了SARS-CoV冠狀病毒S蛋白識別受體，介導(dǎo)病毒-宿主細胞膜融合過程中的必需的動態(tài)結(jié)構(gòu)變化。
2002年爆發(fā)的SARS，感染范圍廣泛，波及全球，感染人數(shù)高達8273人，共引起775人死亡，其致死率高達10%。今年二月份，世界衛(wèi)生組織列出了可能對世界公共衛(wèi)生產(chǎn)生巨大威脅的10種病毒， SARS-CoV位列其中。迄今為止，還沒有研發(fā)出針對SARS-CoV的特異性藥物，以及針對冠狀病毒的廣譜特效藥物，其仍具有對人類健康造成巨大威脅的潛在隱患。SARS-CoV的S蛋白介導(dǎo)冠狀病毒與受體的結(jié)合以及膜融合，是病毒顆粒侵入宿主細胞過程中關(guān)鍵蛋白，同時也是宿主中和抗體免疫應(yīng)答的主要作用位點。在病毒表面，S蛋白以同源三聚體形式存在，其單體可被蛋白酶識別，切割分為S1和S2兩個亞基。其中S1上存在受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域，主要負責(zé)受體識別；S2含有第二個酶切位點、膜融合肽以及兩個heptad repeat結(jié)構(gòu)域，其主要功能是介導(dǎo)膜融合。冠狀病毒表面的S蛋白對決定病毒的宿主范圍和組織嗜性起關(guān)鍵性作用，對病毒囊膜與宿主細胞膜的融合起決定性作用。
高致病性冠狀病毒SARS-CoV入侵宿主細胞通過兩種可能途徑，一種是受體介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑，另一種是直接膜融合途徑，即病毒包膜直接與細胞膜融合，將病毒基因組注入到細胞質(zhì)內(nèi)。綜合SARS-CoV 入侵宿主細胞的途徑，受體、低pH環(huán)境以及蛋白酶可能誘導(dǎo)S發(fā)生構(gòu)象變化，從而促進了膜融合過程的發(fā)生。向燁研究組和王新泉研究組通過模擬SARS-CoV 入侵宿主細胞的內(nèi)環(huán)境，結(jié)合冷凍電鏡單顆粒技術(shù)與生化手段，解析了蛋白酶切割后處于中性和酸性環(huán)境中的S蛋白的構(gòu)象，以及蛋白酶切割后中性和酸性環(huán)中S蛋白與受體結(jié)合的多種不同構(gòu)象，并捕捉到S蛋白結(jié)合受體后發(fā)生的構(gòu)象變化以及融合后的構(gòu)象，最高分辨率達3.6？。通過對不同結(jié)構(gòu)的分析與比較，研究者首先證實了前期提出的S蛋白受體結(jié)合所必需的構(gòu)象狀態(tài)，并且發(fā)現(xiàn)受體ACE2的結(jié)合使得S蛋白的C端結(jié)構(gòu)域（CTD1，即受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域）繼續(xù)向外偏轉(zhuǎn)，誘導(dǎo)S1-ACE2脫落及S2亞基結(jié)構(gòu)變化并暴露融合肽。該研究結(jié)果承接前面的研究進展，并填補了冠狀病毒糖蛋白介導(dǎo)膜融合研究領(lǐng)域的空白。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2014級博士生宋文飛和醫(yī)學(xué)院博士后、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者桂淼為本論文的共同第一作者，向燁副教授和王新泉教授為本論文的共同通訊作者。
該工作的冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集在國家蛋白質(zhì)科學(xué)設(shè)施（北京）的清華大學(xué)冷凍電鏡平臺完成，數(shù)據(jù)處理在國家蛋白質(zhì)科學(xué)設(shè)施（北京）清華大學(xué)高性能計算平臺完成。本工作獲得國家自然科學(xué)基金委、科技部重點研發(fā)計劃和北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心等的經(jīng)費支持。
SARS-CoV刺突糖蛋白與受體的復(fù)合物結(jié)構(gòu)及刺突糖蛋白的相應(yīng)構(gòu)象變化
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