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「導讀」近日，澎湃新聞公眾號報道了一篇揭秘新冠病毒結構研究的文章，從分子間相互作用的角度，揭示了新冠病毒的最新研究成果，及SPR檢測技術(shù)在研究中的關(guān)鍵作用，充分驗證并肯定了SPR（表面等離子共振作用）技術(shù)及儀器領(lǐng)域對當代世界的醫學(xué)研究、病毒及疫苗研究起到的關(guān)鍵作用。
以下為轉發(fā)澎湃新聞的文章：
美國國家過(guò)敏和傳染病研究所疫苗研究中心最近提交的一篇論文對新冠病毒結構進(jìn)行了研究，并驗證了一個(gè)結論：新冠病毒S蛋白與細胞ACE2的親和力是SARS的10到20倍。這可能意味著(zhù)新冠病毒肺炎（COVID-19）的傳染性相比SARS要高出很多。
1 新冠病毒的強傳染性之謎
生物物理和結構證據表明，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蛋白結合。另外，研究者們也測試了幾個(gè)已經(jīng)發(fā)表過(guò)的SARS冠狀病毒RBD特異性單克隆抗體，發(fā)現它們與新冠病毒S突刺蛋白沒(méi)有明顯的結合，這表明兩種病毒RBD之間的抗體交叉反應性可能受到限制。
圖1. 預融合構象中的2019-nCoV S蛋白結構。
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受體（ACE2），這促使研究人員對于通過(guò)表面等離子共振（SPR）的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行量化研究。
新冠病毒（上）和SARS病毒（下）的S蛋白與ACE2的親和力比較
今天，世界首個(gè)新冠病毒（2019-nCoV）突刺蛋白的冷凍電鏡結構研究出爐。最新研究采用冷凍電鏡技術(shù)解析了新型冠狀病毒的S蛋白結構，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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這篇最新論文目前被發(fā)布在生物領(lǐng)域預印版論文平臺bioRxiv上。其中，研究人員通過(guò)低溫電子顯微鏡構建了新冠病毒S蛋白的預融合構架是三個(gè)聚體，發(fā)現每個(gè)單體上都有細胞受體結合點(diǎn)位。
對比新冠與非典的S蛋白，研究人員驚訝的發(fā)現，新冠病毒和人血管緊張素轉化酶2（ACE2）的結合力是SARS病毒的10-20倍。
這也是科學(xué)家們首次對于新冠病毒（2019-nCoV）突刺蛋白冷凍電鏡結構進(jìn)行詳細觀(guān)察揭示的秘密。
編譯 | 微胖、澤南
冠狀病毒的刺突糖蛋白（Spike glycoprotein, S glycoprotein）是疫苗、治療性抗體的研發(fā)以及臨床診斷的關(guān)鍵靶點(diǎn)。
2020年2月15日，美國衛生總署(NIH)與德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Jason S. McLellan研究組（此前，McLellan組在病毒結構方面做了很多重要的工作，研究涉及MERS等疾?。┻M(jìn)行合作，利用冷凍電鏡技術(shù)分析了新型冠狀病毒表面S蛋白的近原子結構。這一研究揭示了新型冠狀病毒傳染性強的主要原因。
在新冠肺炎疫情爆發(fā)之后不久，中國科學(xué)院上海巴斯德研究所和武漢病毒研究所的科學(xué)家先后分別發(fā)現新型冠狀病毒和SARS病毒一樣，也是通過(guò)利用S蛋白結合人體細胞表面的ACE2蛋白進(jìn)入細胞，只不過(guò)二者S蛋白同源性比較低，只有76.47%。
1月底，根據中國疾控中心、湖北省疾控中心、香港大學(xué)等機構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(dòng)力學(xué)》，通過(guò)分析武漢最早的425例確診病例數據，估計R0（基本傳染數）約為2.2，亦即每個(gè)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，該機構給出的R0值為1.4至2.5。
不過(guò)，隨著(zhù)疫情的蔓延，新冠肺炎表現出的傳染性明顯強于SARS。
據媒體報道，本周，中國團隊基于更大規模的數據評估的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(gè)新冠病毒（2019-nCoV）突刺蛋白的冷凍電鏡結構研究出爐。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蛋白結構，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(xué)獎，讓人類(lèi)在原子級別觀(guān)測生命現象成為可能。SPR是從20世紀90年代發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，其應用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，廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域。
2 首個(gè)新冠病毒
S蛋白冷凍電鏡結構揭秘
在這篇研究中，研究人員獲得了處于預融合構象的新型冠狀病毒突刺蛋白三聚體的冷凍電鏡（cryo-EM）結構，其分辨率為3.5?。三聚體的主要狀態(tài)為三個(gè)受體結合結構域（RBD）之一向上旋轉為受體可結合的構象。
新型冠狀病毒利用高度糖基化的同源三聚體S蛋白進(jìn)入宿主細胞。S蛋白經(jīng)歷結構變化將病毒融合進(jìn)入宿主細胞的細胞膜。此過(guò)程包括病毒的S1亞基結合到宿主細胞受體上，引發(fā)三聚體不穩定性的發(fā)生，進(jìn)而造成S1亞基脫落S2亞基形成高度穩定的融合后結構。
為了與宿主細胞受體結合，S1的受體結合域(RBD)經(jīng)歷了類(lèi)似于鉸鏈的融合構象運動(dòng)，以暫時(shí)隱藏或暴露受體結合的關(guān)鍵位點(diǎn)。這兩種狀態(tài)被稱(chēng)為“下”構象和“上”構象，其中，“下”對應于受體不可結合狀態(tài)，“上”對應于受體可結合狀態(tài)，而受體可結合狀態(tài)被認為較為不穩定。
由于S蛋白的不可或缺性，它是抗體介入中和的一個(gè)脆弱靶點(diǎn)，而預融合S結構的特性將為指導疫苗的設計和開(kāi)發(fā)提供原子水平的信息。
根據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，在基于先前的穩定策略的C末端S2融合機制中增加了兩個(gè)穩定脯氨酸突變，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/升的重組預融合穩定的S胞外域，通過(guò)親和層析和凝膠排阻層析進(jìn)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(méi)有聚集。
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KD是15 nM，而SARS病毒S蛋白與ACE2的平衡解離常數KD竟然達到了325.8 nM。
KD值越大說(shuō)明解離越多，S蛋白與ACE2的親和力越弱。經(jīng)過(guò)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(lèi)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(jìn)一步的研究來(lái)研究這種可能性。
由于新型冠狀病毒與SARS病毒之間的結構同源性，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(jìn)行交叉反應性測試。
不過(guò)，盡管兩病毒RBD之間結構高度相似，SARS病毒的RBD抗體對于新型冠狀病毒并沒(méi)有明顯的結合。SARS RBD的單克隆抗體對于新型冠狀病毒不具有交叉反應，該結果與為新型冠狀病毒S突刺蛋白作為未來(lái)抗體分離與治療方案的設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(jìn)一步精確地疫苗設計以及抗病毒藥物的發(fā)現提供了重要的結構生物學(xué)基礎，為后續對抗新冠的疫苗和抗病毒藥物研發(fā)提供了重要的結構生物學(xué)數據支撐。
據McLellan實(shí)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，美國國立衛生研究院疫苗研發(fā)中心的Barney Graham團隊展開(kāi)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
