12月4日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Science Advances在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心(生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所)叢堯團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海巴斯德研究所黃忠團(tuán)隊(duì)的合作研究論文“Conformational dynamics of SARS-CoV-2 trimeric spike glycoprotein in complex with receptor ACE2 revealed by cryo-EM”。該研究應(yīng)用冷凍電鏡結(jié)合生化分析，解析了新冠病毒刺突蛋白三聚體結(jié)合受體ACE2的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了ACE2誘導(dǎo)刺突蛋白動(dòng)態(tài)構(gòu)象轉(zhuǎn)變的分子機(jī)制。
新冠病毒(SARS-CoV-2)引起的新冠病毒肺炎于2020年在全球大流行，引發(fā)公共健康危機(jī)。新冠病毒表面的刺突蛋白(S)是一種膜融合機(jī)器，S蛋白三聚體與受體人ACE2結(jié)合，介導(dǎo)病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞，是感染過(guò)程中體液免疫反應(yīng)的主要目標(biāo)。但新冠病毒侵染細(xì)胞的分子機(jī)制亟待闡明。S蛋白由受體結(jié)合亞基S1和膜融合亞基S2組成。 S1包含受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域(RBD)，S2以融合肽(FP)開(kāi)始，該肽插入宿主細(xì)胞膜中，促進(jìn)宿主細(xì)胞膜與病毒膜的融合。
S蛋白三聚體作為一個(gè)完整的變構(gòu)機(jī)器如何對(duì)受體ACE2的結(jié)合作出反應(yīng)，以及該事件如何觸發(fā)S三聚體從關(guān)閉的融合前態(tài)(prefusion state)向融合后態(tài)(postfusion state)的構(gòu)象轉(zhuǎn)變有待闡明。此外，據(jù)報(bào)道新冠病毒的S蛋白D614G突變株可增強(qiáng)該病毒的感染性，但其潛在的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)仍未完全了解。
為全面了解完整S蛋白三聚體對(duì)受體ACE2結(jié)合的變構(gòu)反應(yīng)，叢堯團(tuán)隊(duì)解析了分辨率為2.7埃的新冠病毒S三聚體緊密閉合(tightly closed)狀態(tài)及3.8埃分辨率的S三聚體結(jié)合受體ACE2的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)(圖A、B)。S三聚體緊密閉合狀態(tài)下融合肽(FP)穩(wěn)定結(jié)合，且S蛋白的受體結(jié)合域(RBD)包埋在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這種構(gòu)象掩蔽機(jī)制可能有助于新冠病毒逃避宿主免疫系統(tǒng)的識(shí)別。伴隨ACE2與S蛋白一個(gè)向上的RBD結(jié)合，誘發(fā)S蛋白構(gòu)象由原來(lái)緊密閉合的融合前態(tài)向有利于融合的開(kāi)放狀態(tài)的轉(zhuǎn)變;結(jié)合的ACE2-RBD在S三聚體中表現(xiàn)出連續(xù)的擺動(dòng)，激活相連的S1亞基有利于其整體脫離，使S三聚體向融合后狀態(tài)轉(zhuǎn)化(圖D)。新冠病毒S蛋白在ACE2誘發(fā)下的構(gòu)象轉(zhuǎn)化比SARS病毒的S蛋白更為敏感，這可能是新冠病毒具有更強(qiáng)感染力的原因。黃忠團(tuán)隊(duì)結(jié)合結(jié)構(gòu)信息及生化分析，還發(fā)現(xiàn)了新冠病毒RBD上的T470-T478 loop及Y505殘基是新冠病毒特異性識(shí)別ACE2受體的關(guān)鍵區(qū)域。此外，該研究為SARS-CoV-2的S蛋白D614G突變株誘導(dǎo)的感染力增強(qiáng)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(圖C)，并描繪了FP在穩(wěn)定S三聚體中的特定作用以及FP被激活的機(jī)制。
該研究揭示了新冠病毒基于動(dòng)力學(xué)的免疫逃逸機(jī)制及其S蛋白三聚體的受體識(shí)別機(jī)制，闡明了ACE2誘導(dǎo)的S三聚體構(gòu)象從融合前基態(tài)向融合后狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變的動(dòng)態(tài)分子機(jī)制，為深入理解新冠病毒侵染細(xì)胞的機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并為設(shè)計(jì)和優(yōu)化旨在阻斷受體結(jié)合的疫苗和治療藥物提供重要信息。
叢堯組博士研究生徐聰、劉彩璇、韓文玉，助理研究員王艷興，上海巴斯德所副研究員張超博士為本文共同第一作者。叢堯研究員和黃忠研究員為本文共同通訊作者。該研究得到分子細(xì)胞卓越中心李典范研究員、周金秋研究員和劉小龍研究員的大力支持。該研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院和上海市科委等的經(jīng)費(fèi)支持，并得到國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究(上海)設(shè)施的冷凍電鏡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)與計(jì)算分析系統(tǒng)及蛋白質(zhì)表達(dá)純化系統(tǒng)的大力支持。
(A) 新冠病毒刺突蛋白三聚體緊密閉合構(gòu)象的2.7埃分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。(B)刺突蛋白結(jié)合受體ACE2形成復(fù)合體的3.8埃分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。ACE2紫紅色表示。(C)刺突蛋白SD2結(jié)構(gòu)域的D614與相鄰亞基的FP(深粉色)之間形成氫鍵作用網(wǎng)絡(luò)的放大圖。(D)ACE2誘導(dǎo)刺突蛋白三聚體從prefusion狀態(tài)向postfusion狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變分子機(jī)制示意圖?！?/p>
