西湖大學(xué)周強(qiáng)課題組深度解析新型冠狀病毒感染人體宿主的奧秘

關(guān)于新型冠狀病毒（2019-nCoV）的研究成果可謂是層出不窮，這不，來自西湖大學(xué)周強(qiáng)課題組的研究人員近日在預(yù)印版平臺bioRxiv連發(fā)兩篇文章清楚解析了新型冠狀病毒是如何侵襲人體宿主細(xì)胞的，相關(guān)研究結(jié)果或?yàn)楹笃谘芯咳藛T改進(jìn)并開發(fā)新型治療藥物提供非常有價值的線索和信息。

首先，在**篇題為“Structure of dimeric full-length human ACE2 in complex with B0AT1”的研究報告中，研究人員利用冷凍電鏡技術(shù)成功對2019新冠病毒的受體ACE2的全長結(jié)構(gòu)進(jìn)行了清楚地解析；血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2（ACE2，angiotensin converting enzyme2）是SARS冠狀病毒（SARS-CoV）的表面受體，其能直接與刺突糖蛋白（S蛋白）相互作用，ACE2同樣也被認(rèn)為是2019-nCoV的受體；B0AT1（SLC6A19）是一種中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其能在需要ACE2的腸道細(xì)胞表面進(jìn)行表達(dá)。

ACE2-B0AT1復(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)

來自美國德克薩斯大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員通過聯(lián)合研究利用冷凍電鏡技術(shù)解析了新型冠狀病毒S蛋白的結(jié)構(gòu)，但是ACE2在細(xì)胞膜上是以什么狀態(tài)存在的？2019-nCoV與SARS-CoV 在ACE2結(jié)合上又有何異同？揭示ACE2的全長蛋白及其與S蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，將有望幫助解答上述疑問。

這項(xiàng)研究中，研究人員展示了人類全長ACE2與B0AT1的復(fù)合體在2.9埃分辨率下的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合體能組裝形成ACE2-B0AT1異二聚體結(jié)構(gòu)，由于ACE2的肽酶結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)移，該復(fù)合體能夠呈現(xiàn)出開放和封閉的構(gòu)象。目前關(guān)于ACE2的低聚化狀態(tài)并沒有相關(guān)報道，研究人員所展示的ACE2-B0AT1復(fù)合體結(jié)構(gòu)揭示了其二者之間的二聚體組裝模式，B0AT1并不會參與同源二聚化作用，其會與ACE2的頸部區(qū)域進(jìn)行廣泛接觸，因此，在沒有B0AT1的情況下，ACE2或許會以同源二聚體的形式存在，相關(guān)研究為揭示2019-nCoV或SARS-CoV的病毒感染分子機(jī)制提供了新的線索。

有研究報道，核內(nèi)體中的組織蛋白酶L能夠促進(jìn)SARS-CoV的S蛋白的裂解，這就揭示了一種受體所介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)吞作用機(jī)制；而ACE2作為二聚體的發(fā)現(xiàn)及其與三聚體S蛋白之間同時結(jié)合的相容性就表明其之間可能存在一種聚類作用，其或能促進(jìn)細(xì)胞膜的內(nèi)陷從而用于細(xì)胞的內(nèi)吞作用，研究人員還需要進(jìn)一步研究來分析ACE2和病毒顆粒之間的相互作用，以及諸如B0AT1等輔因子和整合因子對這一過程的影響效應(yīng)。

對于膜融合而言，ACE2的C末端片段（尤其是697-716位點(diǎn)的殘基）被蛋白酶（比如跨膜蛋白酶絲氨酸2，TMPRSS2）所裂解或能增強(qiáng)S蛋白驅(qū)動的病毒入侵過程；在研究者所展示的結(jié)構(gòu)中，他們發(fā)現(xiàn)，697-716位點(diǎn)的殘基能在頸部區(qū)域形成螺旋N3和N4，并映射到ACE2的二聚體界面；B0AT1的存在或許也能夠阻斷TMPRSS2進(jìn)入到ACE2的切割位點(diǎn)，ACE2的表達(dá)分布要比B0AT1廣泛地多，除了能在腎臟和腸道（B0AT1會主要進(jìn)行表達(dá)）中表達(dá)外，ACE2還會在肺部和心臟中進(jìn)行表達(dá)，然而B0AT1是否能通過阻斷ACE2的裂解來抑制SARS-CoV的感染，后期研究人員還需要進(jìn)一步深入研究才能得知。

**篇研究報告中，研究者揭示了在二聚體組裝過程中全長ACE2的高分辨率結(jié)構(gòu)，模型研究結(jié)果表明，冠狀病毒的兩個S蛋白三聚體能與一個ACE2二聚體同時結(jié)合，本文研究結(jié)果為闡明2019-nCoV的感染機(jī)制及后期開發(fā)新型療法提供了新的線索和思路。

隨后在第二篇題為“Structural basis for the recognition of the 2019-nCoV by human ACE2”的研究報告中，研究人員利用冷凍電鏡技術(shù)在2.9埃全分辨率條件下，在B0AT1存在的情況下，揭示了人類全長的ACE2受體與2019-nCoV 的S蛋白受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）復(fù)合體的精細(xì)化結(jié)構(gòu)；研究者表示，與諸如SARS-CoV等其它冠狀病毒一樣，2019-nCoV能利用S蛋白表面的受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）與宿主細(xì)胞的ACE2進(jìn)行結(jié)合。

RBD-ACE2-B0AT1復(fù)合體的整體結(jié)構(gòu)

**篇研究報告中，研究者揭示了人類全長ACE2與中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B0AT1復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，這篇研究中，研究人員基于此前研究結(jié)果，借助冷凍電鏡技術(shù)深入解析了完整ACE2蛋白與2019-nCoV的RBD的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。研究者表示，ACE2-RBD界面的局部分辨率為3.5埃，這就能幫助他們分析RBD與受體之間的相互作用，與SARS-CoV一樣，2019-nCoV的RBD會被ACE2的胞外肽酶結(jié)構(gòu)域（PD，extracellular peptidase domain）通過極性殘基所識別，成對比較后，研究者發(fā)現(xiàn)了一些特殊變異，這或許就能夠解釋上述兩種相關(guān)病毒的RBDs之間與宿主受體之間不同的親和性。

在過去兩個月里，2019-nCoV因其較高的傳染性，所導(dǎo)致的死亡病例數(shù)超過了SARS-CoV，但其背后的感染機(jī)制研究人員并不清楚，2019-nCoV S蛋白上特殊的成對堿性氨基酸蛋白酶切割位點(diǎn)（furin cleavage site）或許要比SARS-CoV更具傳染性，最近研究發(fā)現(xiàn)，nCoV-RBD和ACE2之間較高的親和力或許是一個額外的因素。ACE2與nCoV-RBD和SARS-RBD之間復(fù)合體的結(jié)構(gòu)或許就為解析其不同的親和力奠定了一定的分子基礎(chǔ)。

第二篇研究中，研究人員分析了這兩種RBD-ACE2之間的界面特性，盡管某些突變會增強(qiáng)nCoV-RBD和ACE2之間的相互作用，但其它變異也可能會降低SARS-RBD與ACE2之間的親和力；比如，由于ACE2的Lys317和Asp30位點(diǎn)之間鹽橋（salt bridge）的形成，因此從氨基酸位點(diǎn)Val404到Lys317的變化可能會導(dǎo)致更緊密連接的形成，將Leu472改變?yōu)镻he486可能會增強(qiáng)與Met82之間的范德華力，然而，將Arg426替換為Asn439似乎會通過失去ACE2上的與Asp329形成的重要鹽橋而削弱其之間的相互作用。

研究者所揭示的ACE2-RBD復(fù)合體結(jié)構(gòu)為開發(fā)新型計算和突變分析方法理解親和力之間的差異提供了新的分子基礎(chǔ)，需要指出的是，研究人員或許應(yīng)該采用其它手段來驗(yàn)證表面等離子體共振技術(shù)所測定的親和力，比如等溫滴定量熱法（ITC）和微量熱泳法(MST)等。闡明nCoV-RBD與ACE2復(fù)合體的結(jié)構(gòu)或許也能為后期研究者開發(fā)新型病毒檢測技術(shù)及針對2019-nCoV的潛在治療手段奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，基于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計出的能增強(qiáng)與ACE2或冠狀病毒S蛋白親和力的特殊“粘合劑”或有望幫助開發(fā)阻斷病毒感染的誘餌配體或中和性抗體。

除了周強(qiáng)課題組這兩篇重要研究成果外，近日，來自清華大學(xué)和中科院微生物研究所的研究人員也在解析2019-nCoV的S蛋白受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域與ACE2復(fù)合體結(jié)構(gòu)上取得了重大突破，相關(guān)的研究結(jié)果與周強(qiáng)課題組的電鏡結(jié)構(gòu)相互補(bǔ)充和支持。來自中國的這些科學(xué)家們在全球范圍內(nèi)**揭示了新冠病毒S蛋白如何與細(xì)胞受體ACE2在原子層面相互作用，值得一提的是，目前研究人員都選擇在**時間將其復(fù)合物的原子坐標(biāo)向全球公布，以提高其潛在的利用價值。相信后期通過科學(xué)家們不懈地努力，相關(guān)研究結(jié)果將能夠快速推動新型冠狀病毒感染新型藥物的研發(fā)和疫苗的開發(fā)設(shè)計。