生命學(xué)院王新泉課題組解析蝙蝠冠狀病毒RaTG13和穿山甲冠狀病毒PCoV_GX刺突蛋白結(jié)構(gòu)，為理解新冠病毒的進化提供線索
新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）對公共健康和社會經(jīng)濟發(fā)展造成了嚴(yán)重?fù)p失，其進化起源仍是一個謎。目前的研究結(jié)果提示，包括蝙蝠、穿山甲和水貂等在內(nèi)的野生動物可能是新冠病毒的自然宿主，經(jīng)過適應(yīng)性和積累突變，新冠病毒可能通過其他動物宿主（中間宿主）最終傳播到人，而我們對其跨物種傳播途徑和進化分子機制目前也知之甚少。冠狀病毒表面的刺突蛋白（spike）在病毒進入宿主細(xì)胞過程中負(fù)責(zé)識別受體和介導(dǎo)膜融合，刺突蛋白在氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)水平上的分子進化影響其對不同物種受體的識別，因而刺突蛋白是冠狀病毒進化過程中的關(guān)鍵分子，其分子進化是冠狀病毒實現(xiàn)跨物種傳播的關(guān)鍵因素。
冠狀病毒RaTG13從中國云南省中華菊頭蝠中分離，是目前已知與新冠病毒基因組序列最接近的冠狀病毒（序列一致性96.2%）。在廣西省和廣東省查獲的境外走私穿山甲樣品中發(fā)現(xiàn)的多株冠狀病毒（Pangolin coronavirus, PCoV)，其基因組與新冠病毒基因組序列一致性也達到了85.5% -92.4%。2021年3月11日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王新泉教授課題組報道了RaTG13和PCoV_GX刺突蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)比較、序列比對和一系列生化和假病毒侵染實驗結(jié)果，為深入理解新冠病毒通過刺突蛋白進化獲得強感染力的分子機制提供了重要的結(jié)構(gòu)信息。
此項研究之前，多個研究組報道了新冠病毒刺突蛋白的三維空間結(jié)構(gòu)，其受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（receptor-binding domain, RBD）存在 “up”和“down”兩種構(gòu)象，而只有呈現(xiàn)“up”構(gòu)象的RBD才能夠結(jié)合ACE2受體。王新泉研究組發(fā)現(xiàn)RaTG13和 PCoV_GX刺突蛋白結(jié)構(gòu)中，其RBD只呈現(xiàn)出“down”的構(gòu)象（圖1a）。然而，進一步研究表明，PCoV_GX刺突蛋白與ACE2的結(jié)合能力與新冠病毒相當(dāng)，且其假病毒也具有侵染細(xì)胞的能力；而RaTG13刺突蛋白與ACE2的結(jié)合能力和其假病毒侵染細(xì)胞能力都很弱（圖1b）。通過定點突變、親和力測定以及假病毒侵染實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)刺突蛋白RBD上第449位，501位和505位的氨基酸變化是導(dǎo)致RaTG13與新冠病毒在受體結(jié)合及假病毒侵染能力差異的重要位點（圖1c）。RaTG13 刺突蛋白RBD上 D501N突變對其ACE2親和力影響最大，結(jié)合能力提高了~9倍。值得注意的是，新冠病毒刺突蛋白RBD上同樣位點的氨基酸變化（N501Y）在新冠病毒英國突變株B1.1.7、南非突變株B.1.351和巴西突變株P(guān).1中均出現(xiàn)。通過對RaTG13和PCoV_GX刺突蛋白與ACE2復(fù)合物的負(fù)染電鏡研究，研究人員還發(fā)現(xiàn)ACE2的出現(xiàn)能夠誘導(dǎo)并穩(wěn)定PCoV_GX刺突蛋白上RBD的“up”構(gòu)象，而對RaTG13刺突蛋白則沒有作用。以上研究共同提示，刺突蛋白RBD的靈活構(gòu)象變化以及某些關(guān)鍵氨基酸位點的突變，對新冠病毒進化獲得強受體結(jié)合以及細(xì)胞侵染能力至關(guān)重要。
圖1 a. RaTG13和PCoV_GX刺突蛋白三維結(jié)構(gòu)；b. SARS-CoV-2, RaTG13和PCoV_GX假病毒入侵細(xì)胞的效率；c. SARS-CoV-2與RaTG13 RBD上導(dǎo)致與受體親和力差異的重要氨基酸位點
該研究工作在《自然通訊》（Nature Communications）上發(fā)表，題為《蝙蝠和穿山甲冠狀病毒刺突蛋白的結(jié)構(gòu)為SARS-CoV-2的進化提供了線索》 (Bat and pangolin coronavirus spike glycoprotein structures provide insights into SARS-CoV-2 evolution)。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王新泉教授為本文的通訊作者，王新泉教授課題組博士生張姝媛、譙淑元、余錦芳和曾建偉博士為主要工作完成者，醫(yī)學(xué)院張林琦教授課題組博士生單思思完成假病毒侵染實驗。電鏡數(shù)據(jù)采集和計算工作在國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施的冷凍電鏡平臺和生物計算平臺完成，質(zhì)譜分析工作在代謝與脂質(zhì)組學(xué)平臺完成。本工作獲得北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、北京市生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、蛋白質(zhì)科學(xué)教育部重點實驗室、科技部重大科學(xué)研究計劃專項、清華大學(xué)“春風(fēng)基金”的大力支持。
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