新冠肺炎（COVID-19）在全球确诊人数已突破1200万，到目前仍无特效药和疫苗问世。新冠病毒（SARS-CoV-2）的基础研究对于抗病毒药物的研发及疫苗的开发至关重要。我院科研中心致力于为精准抗击新冠病毒做贡献，已有多个团队参与SARS-CoV-2的研究与诊断工作。近日，我院科研中心病理结构生物学组的徐朋奇助理研究员与英国弗朗西斯·克里克研究所的研究人员，联合解析了SARS-CoV-2与蝙蝠冠状病毒（RaTG13）刺突蛋白（Spikeprotein）的三维结构，其中SARS-CoV-2刺突蛋白的结构为目前最高分辨率。该文章近期在Nature Structure & Molecular Biology上刊发。
截至目前，SARS-CoV-2被认为源自蝙蝠冠状病毒。已知序列的RaTG13与SARS-CoV-2基因序列的同源度高达96%。SARS-CoV-2外膜上的刺突蛋白为同源三聚体，介导病毒与人体细胞表面的ACE2受体结合，促使病毒外膜与人体细胞膜的融合，启动病毒的入侵。在此过程中，刺突蛋白需要发生构象改变，位于N端的受体结合域(Receptor Binding Domain, RBD)会向上扬起，暴露出RBD，称为“开启态”，暴露的RBD可与ACE2相结合；当RBD包埋在刺突蛋白内部时，不具有与受体结合的能力，称为“关闭态”；位于二者之间则称为“中间态”。相比于RaTG13，SARS-CoV-2的刺突蛋白含有弗林蛋白酶(Furin)的切割位点。我们的三维结构显示，被Furin切割的刺突蛋白，更倾向于“中间态”和“开启态”。这样的结果显示，病毒进化过程中获取的Furin切割位点，使病毒处于“中间态”和“开启态”刺突蛋白的比例明显增加，推测这利于SARS-CoV-2与受体的结合，便于病毒的入侵。如下图：
本研究中解析的SARS-CoV-2刺突蛋白的分辨率达到2.6Å，远高于前文报道。更重要的是，本研究首次解析了近乎完整的N端结构域（含RBD），这对抗体研发与疫苗开发中抗原表位的设计具有重要意义。另外，本研究还解析了RaTG13刺突蛋白的三维结构，分辨率达到3.1Å。三维结构显示，二者在关键位点氨基酸的差异，使SARS-CoV-2刺突蛋白的单体与单体之间拥有更多的氢键和更少的斥力，从而使SARS-CoV-2的刺突蛋白更加稳定。
刺突蛋白与ACE2结合，启动了病毒的入侵。因此，本研究分别测试了RaTG13和SARS-CoV-2刺突蛋白与人源ACE2的亲和力，结果显示SARS-CoV-2刺突蛋白的亲和力比RaTG13的强了大约1000倍。部分关键位点氨基酸的区别，解释了两种来源刺突蛋白RBD与ACE2亲和力的差异。如下图所示：
本研究基于冷冻电镜三维结构和生化实验，推测冠状病毒从蝙蝠进化至人类新冠病毒的过程中，氨基酸的进化显著提高的刺突蛋白的稳定性及与ACE2的亲和力。Furin切割位点的出现，使SARS-CoV-2的刺突蛋白可被Furin酶切割，从而使其更容易进入“开启态“，便于启动病毒对人体细胞的侵染。
早在2018年，何裕隆院长率队到访英国最顶尖的生物医学研究所——弗朗西斯·克里克研究所，与该所副所长、英国皇家科学院院士Steve Gamblin签订战略合作协议。正是该协议的签署，为本次合作奠定了基础。
双方签订战略合作协议
本研究英方合作课题组是由Steve Gamblin领导的结构生物学组。Steve Gamblin院士是著名的结构生物学家，主要从事流感病毒及表观遗传学的研究，有多篇文章发表在Nature等顶级期刊上。本研究发表的Nature Structure & Molecular Biology是Nature旗下的著名期刊，平均影响因子为12~13。解析刺突蛋白三维结构的冷冻电镜技术（Cryo-EM）在2017年获得诺贝尔化学奖，近年来渐渐成为结构生物学的热门方向，有大量生命活动中关键蛋白复合物，通过该技术获得解析，多数成果发表在Nature和Science上。我院的病理结构生物学组，隶属于科研中心旗下的精准医疗中心，由中山大学引进的张影副研究员领导，致力于通过结构生物学、生物化学及生物物理学相结合的方式，解密与疾病密切相关蛋白质的分子机理，为药物开发奠定基础。该课题组目前有1名助理研究员、3名博士后，1名实习研究员和1名研究生。
通讯员：徐朋奇
编辑：温志鑫
初审：朱澂明
审核：刘畅
审核发布：苗伟