新冠病毒（2019-nCoV）是β冠狀病毒屬的一位新成員，與幾種蝙蝠冠狀病毒以及嚴(yán)重的急性呼吸綜合征冠狀病毒密切相關(guān)。新冠病毒與SARS病毒一樣，也是通過識別ACE2受體蛋白進入人體細胞。因此，ACE2是新冠病毒侵入人體的關(guān)鍵。此外，新冠病毒包含多個蛋白，其中刺突蛋白（S蛋白）研究最多，同時也是目前臨床在研疫苗(尤其是多肽和mRNA疫苗)、治療性抗體、小分子和診斷開發(fā)的關(guān)鍵靶點。
近日，發(fā)表在BioRxiv的兩項獨立研究分別報道了新冠病毒受體ACE2的全長結(jié)構(gòu)，以及S蛋白的首個冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。為揭示冠狀病毒識別和感染的分子基礎(chǔ)提供了重要線索，同時也為揭示新冠病毒傳播強度，促進新冠病毒的診斷、治療和疫苗開發(fā)等提供了重要支持。解析新冠病毒受體ACE2全長結(jié)構(gòu) 2020年2月19日，西湖大學(xué)周強實驗室在BioRxiv發(fā)布了新冠病毒的最新研究成果。研究團隊利用冷凍電鏡技術(shù)成功解析了新冠病毒受體ACE2的全長結(jié)構(gòu)，總分辨率為2.9?。這是世界上首次解析出ACE2的全長結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，ACE2以二聚體形式存在，同時具有開放和關(guān)閉兩種構(gòu)象變化，可同時與冠狀病毒的兩個S蛋白三聚體結(jié)合。文章題為“Structure of dimeric full-length human ACE2 in complex with B0AT1”。獲取ACE2的全長蛋白及其與S蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，可比較新冠病毒與SARS病毒的ACE2結(jié)合，有助于篩選、開發(fā)靶向治療藥物。但ACE2很難在體外獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此，研究團隊將目光投向了B0AT1。B0AT1是一種中性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白，其在腸道細胞中的表達需要ACE2，并極有可能與ACE2形成穩(wěn)定的復(fù)合物。圖：ACE2-B0AT1復(fù)合物結(jié)構(gòu)圖，來源BioRxiv 研究人員通過共表達方法獲得了優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的ACE2-B0AT1復(fù)合物，并利用冷凍電鏡平臺成功解析了其三維結(jié)構(gòu)，胞外結(jié)構(gòu)域分辨率為2.7 ?，總分辨率達2.9 ?。分析發(fā)現(xiàn)，ACE2以二聚體形式存在，同時具有開放和關(guān)閉兩種構(gòu)象變化，并可以同時結(jié)合兩個S蛋白三聚體，為進一步解析新冠病毒全長ACE2與S蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，有助于分析研究冠狀病毒識別和感染的分子基礎(chǔ)。另一項新冠病毒研究成果于2月15日發(fā)布在BioRxiv上，該研究解析了新冠病毒S蛋白的首個冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。來自美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)和德州大學(xué)奧斯汀分校(UTAustin)的研究人員合作，通過冷凍電鏡技術(shù)解析了新冠病毒S蛋白三聚體結(jié)構(gòu)，分辨率為3.5?，并發(fā)現(xiàn)新冠病毒S蛋白與受體ACE2的結(jié)合能力是SARS病毒的10~20倍！文章題為“Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation”。
研究團隊利用公開的新冠病毒基因組序列，合成并純化了新冠病毒S蛋白的膜外部分。然后利用冷凍電鏡技術(shù)，收集處理了3207張顯微蛋白圖像，并重建了S蛋白三聚體結(jié)構(gòu)，分辨率為3.5 ?。新冠病毒S蛋白三聚體的主要狀態(tài)為三個旋轉(zhuǎn)的受體結(jié)構(gòu)域（RBD），通過構(gòu)象改變結(jié)合ACE2受體。圖：新冠病毒S蛋白的三聚體結(jié)構(gòu)，來源BioRxiv
通過與SARS病毒的蛋白結(jié)構(gòu)進行比較，研究發(fā)現(xiàn)，新冠病毒的S蛋白與SARS病毒的在結(jié)構(gòu)上存在差異，但整體相似度較高。從三聚體結(jié)構(gòu)來看，新冠病毒的S蛋白更容易與細胞表面的ACE2蛋白結(jié)合，親和力是SARS病毒S蛋白與ACE2之間親和力的10~20倍。同時，由于新冠病毒與SARS病毒的刺突蛋白高度相似，靶向SARS病毒突刺蛋白的抗體或有可能作用于新冠病毒。因此，研究人員檢測了3種已發(fā)表的SARS病毒S蛋白特異性單克隆抗體（S230、m396和80R）。發(fā)現(xiàn)這些抗體與新冠病毒S蛋白沒有明顯的結(jié)合，表明兩種病毒受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域之間的抗體交叉反應(yīng)可能受到限制。該研究成果表明，新冠病毒S蛋白與ACE2受體有著超強的親和力，或有助于揭示新冠病毒在人與人之間的傳播強度，并為促進新冠病毒的診斷、治療和疫苗開發(fā)等提供了重要支持。同時，由于該研究尚未經(jīng)過同行評審，相關(guān)研究結(jié)論還需要更多實驗驗證。1. Structure of dimeric full-length human ACE2 in complex with B0AT1, DOI: https:///10.1101/2020.02.17.951848.2.Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation, DOI: 10.1101/2020.02.11.9444623.西湖大學(xué)官網(wǎng)：西湖大學(xué)成功解析新冠病毒細胞受體的空間結(jié)構(gòu)
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