1 新冠病毒的強傳染性之謎

在新冠肺炎疫情爆發(fā)之后不久，中國科學院上海巴斯德研究所和武漢病毒研究所的科學家先后分別發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒和SARS病毒一樣，也是通過利用S蛋白結(jié)合人體細胞表面的ACE2蛋白進入細胞，只不過二者S蛋白同源性比較低，只有76.47%。

1月底，根據(jù)中國疾控中心、湖北省疾控中心、香港大學等機構(gòu)1月29日在NEJM上發(fā)表的論文《新型冠狀病毒感染肺炎在中國武漢的初期傳播動力學》，通過分析武漢最早的425例確診病例數(shù)據(jù)，估計R0（基本傳染數(shù)）約為2.2，亦即每個感染者平均將傳給另外2.2人。這與WHO方面的初步估計值接近，該機構(gòu)給出的R0值為1.4至2.5。

不過，隨著疫情的蔓延，新冠肺炎表現(xiàn)出的傳染性明顯強于SARS。

據(jù)媒體報道，本周，中國團隊基于更大規(guī)模的數(shù)據(jù)評估的R0值3.77，基本明確了新冠肺炎的傳染性強于SARS。

今天，世界首個新冠病毒（2019-nCoV）突刺蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)研究出爐。最新研究采用利用冷凍電鏡技術(shù)解析了新型冠狀病毒的S蛋白結(jié)構(gòu)，還利用表面等離子共振技術(shù)（SPR）分析了新冠病毒S蛋白與ACE2的親和力。

其中，冷凍電鏡技術(shù)，其發(fā)明人曾獲2017年獲得諾貝爾化學獎，讓人類在原子級別觀測生命現(xiàn)象成為可能。SPR是從20世紀90年代發(fā)展起來的一種新技術(shù)，其應(yīng)用SPR原理檢測生物傳感芯片（biosensor chip）上配位體與分析物之間的相互作用情況，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

2 首個新冠病毒

S蛋白冷凍電鏡結(jié)構(gòu)揭秘

在這篇研究中，研究人員獲得了處于預(yù)融合構(gòu)象的新型冠狀病毒突刺蛋白三聚體的冷凍電鏡（cryo-EM）結(jié)構(gòu)，其分辨率為3.5?。三聚體的主要狀態(tài)為三個受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）之一向上旋轉(zhuǎn)為受體可結(jié)合的構(gòu)象。

生物物理和結(jié)構(gòu)證據(jù)表明，較之SARS冠狀病毒，新型冠狀病毒的三聚體更容易與細胞表面的ACE2蛋白結(jié)合。另外，研究者們也測試了幾個已經(jīng)發(fā)表過的SARS冠狀病毒RBD特異性單克隆抗體，發(fā)現(xiàn)它們與新冠病毒S突刺蛋白沒有明顯的結(jié)合，這表明兩種病毒RBD之間的抗體交叉反應(yīng)性可能受到限制。

圖1. 預(yù)融合構(gòu)象中的2019-nCoV S蛋白結(jié)構(gòu)。

新型冠狀病毒利用高度糖基化的同源三聚體S蛋白進入宿主細胞。S蛋白經(jīng)歷結(jié)構(gòu)變化將病毒融合進入宿主細胞的細胞膜。此過程包括病毒的S1亞基結(jié)合到宿主細胞受體上，引發(fā)三聚體不穩(wěn)定性的發(fā)生，進而造成S1亞基脫落S2亞基形成高度穩(wěn)定的融合后結(jié)構(gòu)。

為了與宿主細胞受體結(jié)合，S1的受體結(jié)合域(RBD)經(jīng)歷了類似于鉸鏈的融合構(gòu)象運動，以暫時隱藏或暴露受體結(jié)合的關(guān)鍵位點。這兩種狀態(tài)被稱為“下”構(gòu)象和“上”構(gòu)象，其中，“下”對應(yīng)于受體不可結(jié)合狀態(tài)，“上”對應(yīng)于受體可結(jié)合狀態(tài)，而受體可結(jié)合狀態(tài)被認為較為不穩(wěn)定。

由于S蛋白的不可或缺性，它是抗體介入中和的一個脆弱靶點，而預(yù)融合S結(jié)構(gòu)的特性將為指導疫苗的設(shè)計和開發(fā)提供原子水平的信息。

根據(jù)新型冠狀病毒公布的基因序列，研究者表達了S突刺蛋白的胞外域殘基（ectodomain residues）1?1208，在基于先前的穩(wěn)定策略的C末端S2融合機制中增加了兩個穩(wěn)定脯氨酸突變，該策略被證明對β冠狀病毒S蛋白高效。

研究者從FreeStyle 293細胞中獲得了大約0.5毫克/升的重組預(yù)融合穩(wěn)定的S胞外域，通過親和層析和凝膠排阻層析進行體外蛋白純化（補充材料圖1）。使用這種純化的、完全糖基化的S蛋白制備冷凍電鏡網(wǎng)格，初步篩選顯示高顆粒密度，在孔的邊緣幾乎沒有聚集。

最近的研究表明，新型冠狀病毒和SARS冠狀病毒的S蛋白具有相同的功能性宿主細胞血管緊張素轉(zhuǎn)受體（ACE2），這促使研究人員對于通過表面等離子共振（SPR）的動力學進行量化研究。

讓大家感到吃驚的是，新型冠狀病毒S蛋白與ACE2的平衡解離常數(shù)KD是15 nM，而SARS病毒S蛋白與ACE2的平衡解離常數(shù)KD竟然達到了325.8 nM。
KD值越大說明解離越多，S蛋白與ACE2的親和力越弱。經(jīng)過計算，新型冠狀病毒S蛋白與ACE2的親和力，是SARS病毒S蛋白與ACE2之間親和力10倍，甚至20倍。

新冠病毒對于人類ACE2的高親和力，可能有助于使它在人與人之間的傳播變得更加容易，但論文作者認為，還需要進一步的研究來研究這種可能性。

新冠病毒（上）和SARS病毒（下）的S蛋白與ACE2的親和力比較

由于新型冠狀病毒與SARS病毒之間的結(jié)構(gòu)同源性，研究人員希望對已經(jīng)發(fā)表的SARS病毒的RBD單克隆抗體對新型冠狀病毒的RBD進行交叉反應(yīng)性測試。

不過，盡管兩病毒RBD之間結(jié)構(gòu)高度相似，SARS病毒的RBD抗體對于新型冠狀病毒并沒有明顯的結(jié)合。SARS RBD的單克隆抗體對于新型冠狀病毒不具有交叉反應(yīng)，該結(jié)果與為新型冠狀病毒S突刺蛋白作為未來抗體分離與治療方案的設(shè)計提供了重要的參考。

3  研究的重要意義

這項研究從近原子水平的分辨率解析了新型冠狀病毒S蛋白，為進一步精確地疫苗設(shè)計以及抗病毒藥物的發(fā)現(xiàn)提供了重要的結(jié)構(gòu)生物學基礎(chǔ)，為后續(xù)對抗新冠的疫苗和抗病毒藥物研發(fā)提供了重要的結(jié)構(gòu)生物學數(shù)據(jù)支撐。

據(jù)McLellan實驗室透露，針對S蛋白的新冠肺炎疫苗，已經(jīng)由本研究的參與者，美國國立衛(wèi)生研究院疫苗研發(fā)中心的Barney Graham團隊展開測試。

參考文獻：
Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.11.944462v1

今天，世界首個新冠病毒（2019-nCoV）突刺蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)研究出爐。最新研究采用冷凍電鏡技術(shù)解析了新型冠狀病毒的S蛋白結(jié)構(gòu)，還利用表面等離子共振技術(shù)（SPR）分析了新冠病毒S蛋白與ACE2的親和力，是SARS病毒的10到20倍，從而揭曉了新冠病毒肺炎強傳染性的原因。

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