近日，中國科學院廣州生物醫(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。這項研究利用蛋白重組表達技術(shù)，引入設(shè)計的二硫鍵對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)主要針對刺突蛋白為靶點，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)上有著很強的構(gòu)象動態(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?？赡苡捎谠谥行原h(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。研究團隊前期針對新冠病毒的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，x3三對二硫鍵1,2，在該研究中研究人員將這三對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蛋白均能得到表達和提純，負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?shù)膹娭泻托∈笱濉?/span>
研究人員利用冷凍電鏡技術(shù)對改造后的非典病毒S蛋白進行了成像，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S蛋白亞基均為鎖定-1構(gòu)象）和 locked-2（3個S蛋白亞基均為鎖定-2構(gòu)象），以及不對稱的混合型鎖定構(gòu)象 locked-112（3個S蛋白亞基兩個為鎖定-1構(gòu)象，一個為鎖定-2構(gòu)象）和 locked-122（3個S蛋白亞基兩個為鎖定-2構(gòu)象，一個為鎖定-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運動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。
該研究由中國科學院提供經(jīng)費支持，廣州醫(yī)科大學，廣州實驗室趙金存研究組、南方科技大學王培毅研究組和廣州生物島實驗室金亮研究組對該研究提供了鼎力協(xié)助。
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)
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