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新冠病毒侵入人体的"门把手" 其全长结构解析出了

来源: 南方日报网络版     时间: 2020-02-21 10:51:47
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(原标题:西湖大学:新冠病毒表面S蛋白“劫持”人体ACE2蛋白入侵)

北京时间2月21日凌晨,西湖大学周强研究团队在论文预印本网站BioRxiv再次发文,报道新冠病毒表面S蛋白受体结合结构域与细胞表面受体ACE2全长蛋白的复合物冷冻电镜结构,揭开了新冠病毒入侵人体细胞的神秘面纱。

“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。”西湖大学特聘研究员陶亮向澎湃新闻介绍。这篇预印本论文的第一作者为西湖大学生命科学学院博士后鄢仁鸿,通讯作者为西湖大学生命科学学院研究员周强。第一单位和通讯单位均为西湖大学浙江省结构生物学研究重点实验室。这也是西湖大学承担的浙江省“新型冠状病毒肺炎防治应急攻关项目”取得的重要成果。2天前,该团队刚刚在bioRxiv上发表了新冠病毒受体ACE2全长结构。

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。

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”。根据美国得克萨斯大学奥斯汀分校研究团队的最新解析结果,新冠病毒S蛋白以三聚体形态存在,每一个单体中约有1300多个氨基酸,其中300多个氨基酸构成了“受体结合结构域”(RBD),即S蛋白与ACE2相联结的地方。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。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。虽然S蛋白和ACE2是敌我双方接触的最前线,但在此次疫情爆发前,科学家们从未看清ACE2的全貌及ACE2与新冠病毒S蛋白的相互作用。两天前,周强实验室在世界范围内率先报道了ACE2全长蛋白的高分辨三维空间结构,这一次,他们进一步解析出ACE2全长蛋白与新冠病毒S蛋白受体结合结构域的复合物结构,受体分辨率2.9埃,其中S蛋白受体结合结构域部分的分辨率为3.5埃。

该团队通过病毒入侵后的复合物研究发现,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%。

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。

周强团队,左起:鄢仁鸿,周强,张媛媛

周强团队,左起:鄢仁鸿,周强,张媛媛

周强团队表示,此次对复合物结构的解析属于基础研究领域的突破,与抗疫药物的研发没有必然联系。但从另一方面讲,它又确实非常重要。因为蛋白质的结构在很大程度上决定了它的性质与功能,看清新冠病毒S蛋白、ACE2及其相互作用的结构,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。知己知彼,方能百战不殆。

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坚实的基础。

据悉,清华大学王新泉教授研究团队和中国科学院微生物研究所齐建勋研究团队分别独立解析了ACE2的N端蛋白酶结构域与新冠病毒S蛋白受体结合结构域的晶体结构。这些信息与周强团队的电镜结构互为支持、互为补充。值得一提的是,三个独立团队都选择在第一时间将其复合物的原子坐标向全社会公布,以提高其可能的利用率。

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