Cell ：新冠病毒 S蛋白的结构、功能和抗原性

来源：BioArt

撰文丨栾晓东

继Science上发表新冠病毒Spike全长病毒后（投稿到接受仅用9天！Science率先发布新冠病毒刺突蛋白电镜结构），Cell 杂志也提前公布了一篇题为Structure, function and antigenicity of the SARS-CoV-2 spike glycoprotein的文章，详细的阐释了S蛋白在新冠病毒与宿主侵染和膜融合的机制。该研究由美国华盛顿大学David Veesler课题组完成。

在之前Science文章中确定了新冠病毒S蛋白的三聚体结构，而在这篇文章的冷冻数据3D分类显示出新冠病毒的Spike蛋白存在多种构象状态，并在3.0Å分辨率下重建了闭合的新冠病毒S三聚体和在3.3Å分辨率重建了打开的单个SB区的三聚体。由于构象的异质性，SA和SB结构域的分辨能力较差，总的来说，新冠病毒S胞外区是一个160Å长的三聚体，具有三角形截面，类似于密切相关的SARS-CoVS结构。

SARS-CoV-2 S糖蛋白的冷冻电镜结构

新冠病毒的S糖蛋白与SARS-CoV S蛋白具有76％的氨基酸序列同一性，与蝙蝠SARSr-CoVZXC21 S蛋白和ZC45 S糖蛋白具有80％的同一性，后两个SARSr-CoV序列是从中华菊头蝠中鉴定出来的。先前的研究还表明，宿主蛋白酶组织蛋白酶L和TMPRSS2通过裂解S1 / S2和S2'位点，从而促进SARS-CoV S进行膜融合。与其他β-冠状病毒S糖蛋白的情况一样，新冠病毒的S1结构域具有V形结构。在关闭构象的S三聚体中，根据SARS-CoV-SB与hACE2复合物的晶体结构推断得出，三个hACE2识别基序隐藏在界面处，因此，新冠病毒SB的开放对于在宿主细胞表面与ACE2相互作用，引发导致S2′位点断裂、膜融合和病毒的构象变化是必需的。

研究人员发现新冠病毒 S三聚体以三聚体顶点处SB开口存在多个不同的构象状态。这些结构变化对于这三种病毒的受体结合是必需的，并触发细胞膜融合。相比之下，对于其他四种感染人类的冠状病毒（仅检测到了封闭的S三聚体），研究人员假设最具致病性的冠状病毒都会自发地采样封闭和开放构象，表现出S糖蛋白三聚体，就和新冠病毒、SARS-CoV和MERS-CoV一样。

SARS-CoV-2和SARS-CoV S结构比较

研究者使用鼠白血病病毒（MLV）假病毒系统，评估了S蛋白介导病毒进入靶细胞的决定因素。首先比较了新冠病毒S-MLV和SARS-CoV S-MLV，两种假病毒均能很好地进入细胞，这表明新冠病毒S-MLV可以利用ACE2作为进入受体。为了证实这些结果，我们评估了进入BHK细胞的过程，并观察到瞬时转染hACE2的细胞更易被侵染，这些结果表明，hACE2是SARS-CoV-2的功能性受体，与最近报道的发现一致。

新冠病毒 S糖蛋白和SARS-CoV S糖蛋白之间惊人的结构相似性和序列保守性。SARS-CoVS引起的多克隆抗体应答有效地中和了新冠病毒 S介导的进入细胞，进一步增强了这种相似性。研究人员推测，其中大多数抗体都针对高度保守的S2亚基（包括融合肽区域），因为其跨新冠病毒和SARS-CoV的结构相似，进一步分析S2结构域显示，其和SARS-CoV S2结构域具有88%的序列同源性，它们在结构上是保守的。因此针对这一功能上重要的基序的抗体，可能会交叉反应并中和这两种病毒以及相关的冠状病毒。

基于这些观察，研究人员假设暴露于两种病毒中的一种会引起交叉反应，并有可能产生中和针对另一种病毒的抗体，因此他们使用稳定化疫苗免疫了小鼠，结果表明，感染SARS-CoV S的小鼠血浆可同时抑制新冠病毒 S和SARS-CoV S介导的进入靶细胞。测试的所有血清完全抑制了VeroE6细胞中SARS-CoV S-MLV的侵染，并将新冠病毒 S-MLV的侵染能力降低至对照组的10％，另外，值得注意的是，迄今为止分离出的大多数SARS-CoV中和抗体都靶向SB结构域，其中一些识别RBM并阻止受体参与，由于新冠病毒和SARS-CoV SB拥有75％的氨基酸序列同一性，因此有必要进一步评估这些抗体是否中和了新型冠状病毒。

这些发现还表明，在使用S蛋白三聚体的血清学研究中，人们可能很难将新冠病毒的暴露与其他SARSr-CoV的暴露区分开，因此需要设计特定的检测方法，但本文结果提供了一个结构框架，将支持正在进行的疫苗设计工作。

原文链接DOI: 10.1016/j.cell.2020.02.058
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