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2020-03-27 13:56
新冠病毒侵染人体那一刻,发生了什么?

文章来自微信公众号:新智元(ID:AI_era),原标题:《中国新冠研究登上Science封面,全球首次揭示新冠病毒人体蛋白受体结构》,作者:张佳、啸林,来源:Sciencemag等,题图来自:IC photo


日前,西湖大学周强实验室的一项关于新冠病毒的研究登上了最新一期Science封面。



这项研究题为《人类ACE2识别2019-nCoV的结构基础》“Structural basis for the recognition of SARS-CoV-2 by full-length human ACE2”,首次解析了新冠病毒细胞表面受体ACE2的全长三维结构,以及表面蛋白S受体结合结构域与细胞表面受体ACE2全长蛋白复合物的三维结构。



研究简介:ACE2是严重急性呼吸系统综合症冠状病毒(SARS-CoV)和新型冠状病毒(SARS-CoV-2)的细胞受体,引发了新冠(COVID-19)疫情。该研究通过冷冻电镜Cryo-EM 技术,解析出新冠病毒S蛋白三聚体3.5埃的近原子分辨率结构,并解析了新冠病毒细胞表面受体ACE2的全长三维结构,以及表面蛋白S受体结合结构域与细胞表面受体ACE2全长蛋白复合物的三维结构。从生物物理及结构生物学的角度为冠状病毒的识别和感染的分子基础提供了重要的见识。


美国得克萨斯大学西南医学中心生物物理系主任、霍华德休斯医学研究所研究员Michael K. Rosen称该研究在理解新冠病毒如何侵染人体细胞方面取得了重要进展,相关研究成果最终将对研发精准的新冠肺炎诊断、治疗手段起到关键作用。


ACE2与S蛋白的前世今生


新型冠状病毒引发的肺炎疫情,让冠状病毒、S蛋白、ACE2这些冷僻的生物学名词再次进入公众视野。解读这项研究前,我们先来补充一些基础知识。


研究发现,新型冠状病毒感染人体细胞的关键在于冠状病毒的S蛋白与人体ACE2 蛋白的结合。准确地说,是S蛋白“劫持”了原本是控制血压的ACE2,通过与它的结合入侵人体。



S 蛋白全称为spike glycoprotein (刺突糖蛋白),位于新冠病毒最外层,像一个个突起的“皇冠”。冠状病毒正因此得名。ACE2全称为血管紧张素转化酶2,是人体内一种参与血压调节的蛋白,在肺、心脏、肾脏和肠道广泛存在。


一个人体细胞的蛋白,怎么会与病毒发生联系?西湖大学特聘研究员陶亮用了一个形象的比喻:“如果把人体想象成一间房屋,把新冠病毒想象成强盗,那么,ACE2就是这间房屋的‘门把手’;S蛋白抓住了它,病毒从而长驱直入闯进人体细胞。”


SARS-CoV-2如何与人体细胞结合


科学家们正在正在争先恐后地研究严重急性呼吸系统综合症“新冠病毒2(SARS-CoV-2)”的秘密,这是大流行性疾病COVID-19的起因。病毒进入的第一步是病毒的三聚体棘突蛋白与人类受体血管紧张素转化酶2(ACE2)的结合。Yan等人提出了人类ACE2的结构及氨基酸转运蛋白B0AT1的复合物。在这种情况下,ACE2是二聚体。进一步的结构显示了SARS-CoV-2的受体结合区如何与ACE2相互作用,表明两个三聚体棘突蛋白可能与ACE2二聚体结合。这些结构为开发针对这种关键相互作用的疗法提供了基础。


获得ACE2结构


ACE2长什么样?病毒的S蛋白是如何和ACE2结合的?周强实验室的这次研究就是为了搞明白这个问题。搞清ACE2的结构,才好对症下药。 


第一步,他们要获取ACE2蛋白全长蛋白,但作为膜蛋白的ACE2本身很难在体外稳定获得。研究人员在文献中发现ACE2与肠道内的一个氨基酸转运蛋白B0AT1能够形成复合物,根据过去研究氨基酸转运蛋白复合物的研究经验,他们判断,这个复合物极有可能稳定住ACE2。果然,他们通过共表达的方法获得了ACE2与B0AT1优质稳定的复合物,并利用西湖大学的冷冻电镜平台成功解析了其三维结构,如下图:


上面的蓝色和灰白色部分,是ACE2的两个结构PD(肽酶结构域,peptidasedomains)和CLD(Collectrin样域,Collectrin-like domain)。


在通过与B0AT1结合的状态获得ACE2的存在状态后,就在冷冻电镜下解析了它的三维结构:


ACE2-B0AT1 复合物的冷冻电镜密度图, 与上图对应


他们获得的分辨率达到2.9埃,对于病毒识别至关重要的胞外结构域分辨率为2.7埃。3埃是评价蛋白质结构分辨率的分界点。3埃以内的可以认为是高分辨率结构,在电子密度图上可以很清楚的确定侧链构象,侧链之间的盐键,氢键等相互作用。


ACE2-B0AT1 复合物结构图


由图可见,ACE2以二聚体(即两个相同或相似的简单结构成对出现,三聚体……X聚体以此类推,用于化学和分子生物学领域)形式存在,同时具有开放和关闭两种构象变化,但两种构象均含有与冠状病毒的相互识别界面。


S蛋白如何抓住“门把手”ACE2?


RBD-ACE2-B0AT1 复合物结构图


他们发现,在形态上,新冠病毒的S蛋白像一座桥横跨在ACE2表面,又像病毒的一只手,紧紧抓住ACE2,这一点与SARS病毒很相似。新冠病毒S蛋白的受体结合结构域与SARS病毒的序列也非常像,相似性达到82%。


RBD和ACE2的相互作用示意图。RBD是新冠病毒S蛋白受体结合结构域,相当于病毒的S蛋白伸出来抓ACE2的那根小手


进一步分析,研究人员可以看到新冠病毒表面的S蛋白到底是由哪些氨基酸与ACE2相互作用。对比此前已经解析出来的SARS病毒与ACE2的相互作用,新冠病毒S蛋白有一部分氨基酸残基发生了较大改变。这也许可以解释为什么新冠病毒和SARS与ACE2的结合能力不一样,这种结合能力可能影响了病毒的传染力。但究竟是增强还是减弱,还需要通过其他实验手段验证。


3月初美国华盛顿大学团队发现新冠病毒与人体ACE2蛋白的结合能力明显高于SARS与人ACE2的亲和力。这项研究与美国得克萨斯大学奥斯汀分校科研团队的结论相同,后者发现新冠病毒与ACE2亲和力比SARS要高10倍到20倍。


RBD-ACE2-B0AT1 复合物与冠状病毒S蛋白的结构比较,二者通过RBD结构域锚定在一起(左,新型冠状病毒2019-nCoV;右,SARS-CoV)


研究意义:看清结构有力支持了药物研发


西湖大学周强团队在接受新京报专访时表示,此次对复合物结构的解析属于基础研究领域的突破。看清ACE2及其与新冠病毒S蛋白相互作用的结构,相当于看清了“敌人的样子”,为后续科学家的靶向药物研究提供了更多信息。


本研究也为理解新冠病毒侵染细胞提供了很多有趣的线索:


比如,ACE2的二聚体与新冠病毒S蛋白的三聚体是否可以发生更高层级的交联,从而促进病毒与宿主细胞膜的融合或者内吞?之前有研究表明ACE2的胞外区如果被切割,将会更有效地促进冠状病毒的侵染,但是ACE2与B0AT1的复合物结构显示B0AT1的存在有可能阻碍蛋白酶靠近这个切割位点,这是否解释了病毒侵染症状主要发生在没有B0AT1的肺部?


该项研究成果的另一个意义在于,计算生物学的研究人员可以在此基础上去构建不同的模型,进而展开具有针对性的研究,判断什么样的突变可能会进一步提高S蛋白与ACE2的相互作用,从而设计针对S蛋白或者ACE2蛋白的药物和抗体;又或者设计小分子破坏它们之间的相互作用。这些都为药物设计和检测手段开发提供了坚实的基础。


清华大学全球健康与传染病研究中心主任张林琦教授解释道,研究“将有助于理解冠状病毒进入靶细胞的结构基础和功能特征,对发现和优化阻断进入细胞的抑制剂有重要作用”。


颜宁教授弟子,研究作者简介


这项研究共有6位作者参与,其中5位来自西湖大学生命科学学院,还有一位来自清华大学生命科学学院。


第一作者:鄢仁鸿(左),通讯作者:周强(右)


鄢仁鸿,西湖大学生命科学学院博士后。本科就读于山东大学,博士师从颜宁教授,毕业之后前往西湖大学从事博士后研究工作。


周强,西湖大学生命科学学院研究员。2000年考入清华大学,攻读学士学位之后,又师从隋森芳院士攻读博士学位。博士毕业后继续留实验室从事博士后研究工作,2015年博士后出站后在清华大学医学院颜宁教授课题组任副研究员。2019年初加盟西湖大学担任西湖学者、特聘研究员,开展独立研究工作。


此前,周强团队的两项类似成果已分别于北京时间2月19日、2月21日在预印版平台bioRxiv发布,详见《西湖大学重磅新研究!深入破解新冠病毒如何侵入人体》。


周强


周强团队之所以能在这么短的时间里接连取得成果得益于常年的积累。过去两年,周强团队一直在西湖大学从事人源氨基酸转运蛋白的研究。这一过程中,他们圈定了一批重要的蛋白质为研究对象,其中就有ACE2。曾在北京亲历过SARS的周强,对那场疫情记忆深刻,SARS就是通过ACE2入侵人体的,他觉得这是非常重要的一个研究对象,尽管那时对ACE2的研究并非热门。



2019年底,新型冠状病毒感染肺炎疫情在武汉爆发,这一次,病毒又是以ACE2为突破口进入人体。周强很快意识到疫情的严重性,立即将对新型冠状病毒与全长ACE2的结构解析提到最高优先级。与此同时,学校与科研相关的冷冻电镜中心、超算中心也行动起来,无论是在校留守的还是远程介入的,所有人都全力以赴,支持研究快速推进。


分析ACE2全长结构、获取新型冠状病毒S蛋白、获取S蛋白与ACE2复合物、解析复合物结构……这个小而精的团队昼夜不停地运转,最终以超乎寻常的速度,成功“复现”新型冠状病毒侵染人体那一刻。


参考链接:

1. 西湖大学周强团队,Structural basis for the recognition of the 2019-nCoV by human ACE2, Science, 27 Mar 2020,揭示新冠病毒和ACE2蛋白结合的结构:https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.19.956946v1

2. 美国华盛顿大学团队,Structure, function and antigenicity of theSARS-CoV-2 spike glycoprotein, Cell, available online 9 March 2020,揭示新冠病毒具备传染性的原因:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867420302622

3. 美国得克萨斯大学奥斯汀分校团队,Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation,Science, 13 Mar 2020,揭示了新冠病毒S蛋白结构:https://science.sciencemag.org/content/367/6483/1260

https://view.inews.qq.com/a/20200305A04C2V00

https://en.westlake.edu.cn/academics/School_of_Life_Science/About/Faculty/201912/t20191202_2395.shtml

 

文章来自微信公众号:新智元(ID:AI_era),作者:张佳、啸林,来源:Sciencemag等

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