中国学者解析新冠病毒细胞受体全长结构

(原标题:中国学者解析新冠病毒细胞受体全长结构)

  摘要:周强团队利用冷冻电镜技术首次解析了ACE2受体的全长结构,以及新冠病毒S蛋白受体结合域与ACE2全长蛋白的复合物的结构,相当于部分看清了“敌人的样子”。

▲西湖大学生命科学学院特聘研究员周强及其研究团队分别于2月19日和2月21日在预印本平台bioRxiv上发布了两项与新冠病毒结构解析有关的研究,利用冷冻电镜技术首次解析了ACE2受体的全长结构。

  近期中国学者的多项结构生物学研究,在原子水平进一步揭示了新冠病毒如何侵入人体。西湖大学生命科学学院特聘研究员周强及其研究团队分别于2月19日和2月21日在预印本平台bioRxiv上发布了两项与新冠病毒结构解析有关的研究,利用冷冻电镜技术首次解析了ACE2受体的全长结构。随后又报告了新冠病毒表面刺突蛋白(S蛋白)受体结合域与细胞表面受体ACE2全长蛋白的复合物冷冻电镜结构。

  此前中科院武汉病毒所石正丽团队发布的研究显示,与SARS冠状病毒(SARS-CoV)一样,新冠病毒自身表面的S蛋白与人体细胞膜上的ACE2 蛋白结合从而入侵人体。美国得克萨斯大学奥斯汀分校研究团队的最新解析结果显示,新冠病毒S蛋白以三聚体形态存在,每一个单体中约有1300多个氨基酸,其中300多个氨基酸构成了“受体结合域”。

  受体结合域(RBD)是病毒表面蛋白用来与受体结合的部分。病毒通过它去和人体内细胞上的受体(receptor)结合,比如,SARS-CoV的RBD定位在刺突蛋白的第319到510位氨基酸(AA319-510)。

  解析出了新冠病毒S蛋白,那与之结合的受体ACE2蛋白又是什么样的呢?2月19日周强团队发布的论文介绍,团队首先获得了ACE2蛋白全长蛋白,但作为膜蛋白的ACE2本身很难在体外稳定获得。团队通过共表达的方法,利用ACE2与肠道内的一个氨基酸转运蛋白(B0AT1)形成复合物,稳定住ACE2,再利用冷冻电镜解析了其三维结构,分辨率达到2.9埃,其中对于病毒识别至关重要的胞外结构域分辨率达到2.7埃(10埃=1纳米)。

  美国康奈尔大学医学院一名计算生物学博士告诉记者,膜蛋白是最难处理结构的,能够在如此短时间内在这么高的分辨率上做出解析实属不易。

  周强团队的电镜解析结果显示,ACE2拥有两个结构域——结构肽酶结构域(PD)和Collectrin样域(CLD)。Collectrin是肾素血管紧张素系统中的成员,其本身缺乏催化区,所以是作为氨基酸转运蛋白的分子伴侣发挥功能。ACE2以二聚体的形式存在,同时具有开放和关闭两种构象变化,且两种构象均有与冠状病毒相互识别的界面。团队还要进一步研究新冠病毒S蛋白与人体ACE2蛋白的结合。

  周强团队表示,对ACE2蛋白全长结构的解析属于基础研究领域的突破,与抗疫药物的研发没有必然联系。但蛋白质的结构在很大程度上决定了其性质与功能,因此看清新冠病毒S蛋白、ACE2及其相互作用的结构,就相当于看清了“敌人的样子”,为后续科学家的靶向药物研究提供了更多信息。此外,计算生物学的研究人员可以在此基础上去构建不同的模型,进而展开具有针对性的研究,判断什么样的突变可能会进一步提高S蛋白与ACE2的相互作用,从而设计针对S蛋白或者ACE2蛋白的药物和抗体;又或者设计小分子去破坏它们之间的相互作用。这些都为药物设计和检测手段开发提供了基础。

  清华大学全球健康与传染病研究中心主任张林琦教授表示,总体而言,ACE2全长结构的解析,将有助于理解冠状病毒进入靶细胞的结构基础和功能特征,对发现和优化阻断进入细胞的抑制剂有重要作用。

  在解析出ACE2全长蛋白高分辨三维空间结构的基础上,两天后的21日凌晨,周强团队又报告了新冠病毒表面S蛋白受体结合结构域与细胞表面受体ACE2全长蛋白的复合物冷冻电镜结构,整体分辨率达2.9埃,其中S蛋白受体结合域部分的分辨率为3.5埃。

  在形态上,新冠病毒的S蛋白像一座桥横跨在ACE2表面。对比此前已经解析出来的SARS病毒与ACE2的相互作用,研究团队发现,新冠病毒S蛋白有一部分氨基酸残基发生了较大改变。一些突变可能强化了新冠病毒RBD与ACE2受体的亲和力,另一些突变可能减弱了亲和力。这或许可以解释为什么新冠病毒和SARS与ACE2的结合能力不一样,而这种结合能力则可能影响病毒的传染力。

  比如,SARS冠状病毒S蛋白上Val 404位氨基酸残基,在新冠病毒S蛋白上变为了Lys317位氨基酸残基,这使得新冠病毒的结合能力变得更强;但相比SARS-CoV的S蛋白的Arg426位残基,新冠病毒S蛋白上的Asn439位氨基酸残基,跟ACE2的Asp329位氨基酸残基结合则少了一个重要的盐桥,可能会减弱新冠病毒的结合能力。因此团队认为,最终究竟是增强还是减弱,还需要通过其他实验手段验证。

  在蛋白质中,盐桥会影响蛋白质的功能及理化性质,如酶的催化、蛋白质与蛋白质的相互作用、蛋白质与DNA/RNA相互作用等,但是盐桥形成的机制目前还不清楚。

  周强团队表示,这一结构的解析为理解SARS冠状病毒和新冠病毒亲和力的差异提供了计算和突变分析方面的分子基础,同时强调,应采用包括等温滴定量热法(ITC)和微量热泳动仪(MST)等验证。对新冠病毒RBD和ACE2受体复合结构的解析也为开发针对新冠病毒的检测方法和潜在疗法建立了框架。

  除了周强团队以外,清华大学王新泉教授研究团队和中国科学院微生物研究所齐建勋研究团队也在本周分别独立解析了ACE2的N端蛋白酶结构域与新冠病毒S蛋白受体结合域的晶体结构,在原子水平揭示了新冠病毒入侵人体细胞的第一步,相关成果发布在bioRxiv上。西湖大学在其官方声明中提到,这些信息与周强团队的电镜结构互为支持、互为补充。