近日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院熊曉犁、何俊和陳凌課題組在Life Science Alliance期刊上發(fā)表題為“Disulfide stabilization reveals conserved dynamic features between SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 spikes”的研究論文。這項(xiàng)研究利用蛋白重組表達(dá)技術(shù)，引入設(shè)計(jì)的二硫鍵對(duì)非典型性呼吸道綜合癥病毒 (非典病毒，SARS-CoV-1) 的刺突蛋白進(jìn)行工程化改造，穩(wěn)定了該蛋白以前未觀察到的一些稀有構(gòu)象，這與新型冠狀病毒 (SARS-CoV-2) 和其它沙貝病毒 (Sarbecovirus) 的刺突蛋白的某些特殊構(gòu)象共享一些平行的特征，文章討論這些保守特征可能的生物學(xué)功能。

　　 刺突蛋白在冠狀病毒的受體結(jié)合與介導(dǎo)入侵的病毒-細(xì)胞膜融合過程中有重要功能，冠狀病毒的疫苗研發(fā)主要針對(duì)刺突蛋白為靶點(diǎn)，新冠病毒的爆發(fā)使得其刺突蛋白的結(jié)構(gòu)與功能成為近年來的研究焦點(diǎn)之一。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，新冠病毒的刺突蛋白在結(jié)構(gòu)上有著很強(qiáng)的構(gòu)象動(dòng)態(tài)，存在鎖定型、關(guān)閉型和打開型三種不同的融合前構(gòu)象。其中，鎖定構(gòu)象的S蛋白具有非常緊致的結(jié)構(gòu)，與能結(jié)合ACE2受體的“受體結(jié)構(gòu)域（RBD）打開構(gòu)象”不兼容。對(duì)于新冠病毒的S蛋白，研究表明其鎖定構(gòu)象在中性pH條件下僅能短暫存在，在酸性環(huán)境中更為穩(wěn)定。可能由于在中性環(huán)境下鎖定構(gòu)象的不穩(wěn)定性，之前未在非典病毒S蛋白的結(jié)構(gòu)研究中觀察到鎖定構(gòu)象。研究團(tuán)隊(duì)前期針對(duì)新冠病毒的S蛋白開發(fā)了可以穩(wěn)定其RBD“down”構(gòu)象，包括稀有鎖定構(gòu)象的x1，x2，x3三對(duì)二硫鍵1,2，在該研究中研究人員將這三對(duì)二硫鍵分別引入非典病毒S蛋白，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過改造的非典病毒S-x1，S-x2，S-x3蛋白均能得到表達(dá)和提純，負(fù)染電鏡下提純的工程刺突蛋白形成了形態(tài)完整的顆粒，研究人員測試了S-x3蛋白的免疫效果，與未經(jīng)改造的刺突蛋白相比，發(fā)現(xiàn)S-x3蛋白可以誘導(dǎo)出滴度相當(dāng)?shù)膹?qiáng)中和小鼠血清。

　　研究人員利用冷凍電鏡技術(shù)對(duì)改造后的非典病毒S蛋白進(jìn)行了成像，發(fā)現(xiàn)非典病毒的S蛋白存在與新冠病毒S蛋白類似的兩種不同的鎖定型構(gòu)象 locked-1（3個(gè)S蛋白亞基均為鎖定-1構(gòu)象）和 locked-2（3個(gè)S蛋白亞基均為鎖定-2構(gòu)象），以及不對(duì)稱的混合型鎖定構(gòu)象 locked-112（3個(gè)S蛋白亞基兩個(gè)為鎖定-1構(gòu)象，一個(gè)為鎖定-2構(gòu)象）和 locked-122（3個(gè)S蛋白亞基兩個(gè)為鎖定-2構(gòu)象，一個(gè)為鎖定-1構(gòu)象）。除此之外，在非典病毒S-x1蛋白的關(guān)閉構(gòu)象中，觀察到其融合肽近端區(qū)（Fusion Peptide Proximal Region, FPPR）存在特殊的擠出型結(jié)構(gòu)，顯示出該區(qū)域特殊的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)，這種構(gòu)象在新冠病毒的x1改造的S蛋白上沒有被觀察到。與新冠病毒S蛋白不同，低pH不能促使非典病毒S蛋白形成鎖定構(gòu)象。 這些結(jié)果揭示了新冠病毒和非典病毒S蛋白之間構(gòu)象上的相似性和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)上的差異性。

　　 本研究發(fā)現(xiàn)了非典病毒刺突蛋白存在locked-1和locked-2兩種不同的鎖定構(gòu)象，這與新冠病毒的刺突蛋白相似。與本研究中觀測到的非典病毒S蛋白的其他構(gòu)象一起，說明SARS-CoV-1和SARS-CoV-2刺突蛋白存在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)。迄今為止，非典病毒和新冠病毒外的其它沙貝病毒的刺突蛋白主要觀測到 locked-2構(gòu)象，結(jié)構(gòu)分析表明，盡管locked-1和locked-2構(gòu)象之間的細(xì)節(jié)不同，但通過結(jié)構(gòu)域D和結(jié)構(gòu)域C-D鉸鏈區(qū)之間的相互作用使得刺突蛋白的結(jié)構(gòu)剛性化，維持了鎖定構(gòu)象的穩(wěn)定，并抑制RBD運(yùn)動(dòng)是沙貝病毒刺突蛋白鎖定構(gòu)象共有的特征。沙貝病毒刺突蛋白鎖定構(gòu)象中抑制RBD打開機(jī)制的保守性表明，鎖定構(gòu)象的S蛋白三聚體可能在沙貝病毒生命周期中發(fā)揮保守功能，研究組提出鎖定構(gòu)象可能在病毒的組裝過程中發(fā)揮功能，但是該提議還有待后續(xù)研究的證實(shí)。

　　該研究由中國科學(xué)院提供經(jīng)費(fèi)支持，廣州醫(yī)科大學(xué)，廣州實(shí)驗(yàn)室趙金存研究組、南方科技大學(xué)王培毅研究組和廣州生物島實(shí)驗(yàn)室金亮研究組對(duì)該研究提供了鼎力協(xié)助。

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圖1.該研究解析的不同構(gòu)象的非典病毒刺突蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)